Šilko sukimas į jutiklius

Dėžutėse iš Japonijos į Tufts universiteto optikos laboratoriją siunčiamų šilkaverpių kokonų likimas bus kitoks nei tų, kurie siunčiami į tekstilės gamyklas visame pasaulyje. Stiprūs baltyminiai pluoštai, kuriuos vikšrai sukasi aplink save, užuot įpinti į užuolaidas ar drabužius, bus naudojami optinėms medžiagoms, kurios gali būti jutiklių ir kitų prietaisų pagrindas. Bioinžinierius Fiorenzo Omenetto, kuris kuria prietaisus, galiausiai tikisi sukurti implantuojamus, biologiškai skaidomus jutiklius, kurie galėtų padėti stebėti pacientų progresą po operacijos arba sekti lėtines ligas, tokias kaip diabetas.

Fiorenzo Omenetto ant Tufts bioinžinerijos pastato laiptų, kur gamina šilko optinius prietaisus.

Omenetto suprato, kad šilkas tinka ne tik marškiniams ir kaklaraiščiams, – sako jis, kai jam teko kalbėtis su Davidu Kaplanu, Tuftso biomedicinos inžinerijos skyriaus vadovu, su kuriuo dalijasi koridoriumi. Kaplan paverčia šilko baltymus į ląstelėms nekenksmingus karkasus, skirtus inžineriniams biologiniams audiniams, įskaitant ragenos implantus. Audinių inžinieriai mėgsta stipriausią žinomą natūralų pluoštą, šilką, nes jis mechaniškai kietas, bet nekenksmingai suyra organizme.

Ši istorija buvo mūsų 2009 m. sausio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Išmokęs fiziko, Omenetto suprato, kad jei iš šilko gaunamos geros dirbtinės ragenos, tai gali būti ir geri optiniai prietaisai. Kaip paaiškėjo, jis sako, kad jo gaminami šilko prietaisai veikia taip pat, kaip ir iš tradicinių optinių medžiagų, tokių kaip stiklas ir plastikas, – kai kuriais atvejais net geriau. Ir skirtingai nuo tų medžiagų, šilko nereikia apdoroti aukštoje temperatūroje ar stipriomis cheminėmis medžiagomis.

Tai yra viena iš priežasčių, kodėl šilkas taip gerai tinka naudoti biojutikliuose: kadangi šilko prietaisus galima gaminti švelnioje aplinkoje, į juos galima įtraukti papildomų biologinių molekulių (pvz., baltymų) juos statant. Šios molekulės tarnauja kaip jutikliai, kurie, integruoti į šilko prietaisus, gali išlikti aktyvūs daugelį metų. Prietaisuose, kuriuos kuria Omenetto ir Kaplan, optinėje medžiagoje įterpti baltymai efektyviai jungiasi prie taikinio, pavyzdžiui, deguonies arba bakterinio baltymo; kai jie tai daro, jutiklio perduodama šviesa keičia spalvą.

Optinis receptas
Omenetto receptas prasideda nuo kokonų, susuktų šilkaverpių Bombyx mori. Pirmiausia, sako jis, nupjaukite kokoną ir pašalinkite kirminą – labai apmaudu veganams. Vyresnysis tyrimų technikas Carmen Preda išverda kokonus tirpale, kuriame yra druskos natrio karbonatas. Tai padeda ištirpinti sericiną – klijų glikoproteiną, kuris laiko kokonus kartu, bet sukelia žmonių imunines reakcijas. Kai šilko pluoštai išdžiūsta, jie ištirpinami ličio bromido tirpale. Kai jis atvės, Preda švirkštu įdeda jį į dializės kasetę. Ji įdeda jį į stiklinę vandens, iš kurios ištraukiama druska.

Kasetėje liko skaidrus, klampus išgryninto baltyminio šilko fibroino tirpalas. Preda švirkštu išima iš kasetės šį šilko sirupą ir sukrauna į mėgintuvėlių eilę; tai yra pradinė Omenetto optinių komponentų medžiaga. Jei jis nori naudoti komponentus biojutiklyje, šiame etape jis gali pridėti baltymą, nukreiptą į tam tikrą molekulę, tarkime, deguonį surišantį hemoglobiną. Turite šį puikų vandens pagrindo tirpalą, į kurį galite įmaišyti bet ką, sako Omenetto.

Hemoglobinas yra gana stabilus baltymas, tačiau šilko medžiagos taip pat gali išsaugoti mažiau atsparių baltymų, tokių kaip fermentai, aktyvumą. Kaip bandomąjį atvejį, Tufts tyrėjai sukūrė šilko struktūras, kuriose yra lakiųjų krienų fermento, vadinamo peroksidaze; Gliukozės jutikliuose gali būti heksokinazės, fermento, kuris jungiasi su cukrumi.

Formos, naudojamos šilko baltymų tirpalui formuoti į optinius įrenginius, yra raštuotos nanoskalės ypatybėmis. Tokios smulkios detalės yra svarbios optikoje, nes šviesa geriausiai sąveikauja su savybėmis, kurių skalė ne didesnė nei jos pačios bangos ilgis – apie 400–700 nanometrų matomos šviesos atveju. Laboratorijos aplinkos šviesoje plastikinių formų nanoraštinės sritys švelniai šviečia, kaip ešelono apvalkalo vidus.

Vienas mokslininkų sukurtas prietaisas yra holograma, parodanti, kad šilkas yra toks pat universalus kaip ir kitos optinės medžiagos. Laboratorijos stende postdoc Jasonas Amsdenas pipete tepa šilko tirpalą ant formos, išgraviruotos Tufts logotipu. Jis palieka formą ant prekystalio kambario temperatūroje maždaug aštuonioms valandoms – pakankamai ilgai, kad baltymai susiformuotų į lanksčią, netaisyklingą ovalą, o logotipas pavaizduotas trimačiu vaivorykštės rožinės ir mėlynos spalvos raštu.

Kitose laboratorijos formose įvairių tipų optiniai įrenginiai jau baigė išdžiūti. Amsdenas pasirenka vieną ir pincetu švelniai išlupa jį iš formos. Prietaisas yra permatoma raudona kortelė, impregnuota hemoglobinu ir marginta keliais optiniais elementais, įskaitant difrakcijos groteles, padalijančias baltą šviesą į sudedamąsias spalvas.

Šilko jutikliai
Kortelė veikia kaip paprastas deguonies jutiklis: pro ją prasiskverbianti šviesa šiek tiek keičia bangos ilgį, priklausomai nuo to, kiek deguonies prisijungė prie įterpto hemoglobino. Šių pokyčių negalima matyti plika akimi, tačiau juos galima aptikti fotodiodu, lustu, kuris šviesą paverčia elektros srove. Pavyzdžiui, ant jutiklio užlašinus deguonies prisotinto kraujo lašą, hemoglobinas iš jo pasiima deguonį, o fotodiodo registruojamas šviesos bangos ilgis pasislenka.

Deguonis yra tik vienas iš galimų „Omenetto“ įrenginių taikinių. Grotelės su antikūnais ir jose įterptais fermentais gali pajusti beveik bet kokią mediciniškai įdomią molekulę, nesvarbu, ar tai būtų gliukozė, ar naviko žymeklis. Ir Tufts tyrinėtojai įsivaizduoja ne tik laboratorinius jutiklius, bet ir implantuojamus. Viena „Omenetto“ sukurta programa bus ypač svarbi: šilko optiniai pluoštai, skirti šviesai pernešti nuo odos paviršiaus iki implantuotų jutiklių ir atgal, kad ją galėtų nuskaityti fotodetektorius. Jutikliai gali būti implantuojami atliekant tokias operacijas kaip naviko rezekcijos, o vėliau naudojami stebint pacientus, ar neatsiranda infekcijos ar pasikartojančio vėžio požymių. Omenetto ir Kaplan taip pat tikisi integruoti jutiklius į būsimas audinių inžinerijos struktūras, kurios padėtų gydytojams stebėti, kaip naujas audinys yra įtraukiamas į kūną. Prietaisai nekenksmingai ištirptų su likusiomis audinių atraminėmis struktūromis.

Ateityje jutikliai, pasak Omenetto, turės dizainą, kuris paskatins dramatiškesnius spalvų pokyčius, kai jutikliai prisijungs prie savo taikinių. Kurdamas jutiklius, kuriuos būtų galima nuskaityti plika akimi, jis įkvėpimo sėmėsi iš kito vabzdžio – morfo drugelio. Jo blizganti mėlyna spalva atsiranda ne dėl pigmentų, o dėl to, kaip šviesa sąveikauja su nanoskalės baltymų stulpeliais ant sparnų. Pakeitus stulpų struktūrą, spalva išnyksta. Omenetto įsivaizduoja šilko jutiklį, raštuotą nanoskalės struktūromis, dėl kurių jis atrodo mėlynas; Tikslinė molekulė, prisijungianti prie jutiklio baltymų, subtiliai pakeistų nanostruktūras, todėl spalva pasikeistų arba išnyktų. Omenetto sako, kad pagrindinės technologijos, kaip tai padaryti, yra įdiegtos; tiesiog reikia sukurti tinkamas formas.

paslėpti