Žvilgsnis į MIT.nano





Dviejų aukštų po žeme naujausiame MIT pastate, du biologijos doktorantai ir magistrantas susibūrę prie kompiuterio monitoriaus, kuriame rodomas pilkas fonas, išmargintas mažais raibuliais ir keliomis tamsiomis dėmėmis. Skigliukai yra diafaninės baltymų gijos. Dėmės yra nedidelės ledo sankaupos, susidariusios, kai mokslininkai greitai užšaldė baltymus, kad atskleistų paslaptis, kurias jų gijos slepia šimtus milijonų metų.

Baltymų gijos yra mažesnės nei 50 nanometrų aukščio ir pločio. Jie rodomi ekrane, nes juos zonduoja krio-EM – kriogeninis elektroninis mikroskopas – kitame kambaryje.

Norint pasiekti šį tašką, reikia šiek tiek sėkmės, nes užšalimo procese baltymai gali būti užtemdyti arba visiškai prarasti. Tyrėjai gali praleisti dienas šiame rūsyje, kai ekrane beveik nepasirodo tinkami vaizdai.



Dabar, kai mokslininkams pasisekė pastebėti tiek daug vingių, kitas jų triukas yra pastebėti keletą, kuriuos verta ištirti atidžiau. Gyvose ląstelėse šios baltymų grandinės sudaro Y formą. Tas Y yra esminis komponentas to, kas vadinama branduoline pora, kuri mums vis dar nesuprantamais būdais lemia, kas gali keliauti į ląstelės branduolį ir iš jo. Tačiau baltymai retai turi tokią Y formą ekrane. Prieš pat juos apgaubiant ledo sluoksniu, leidžiančiu juos nuskaityti krio-EM, kiekvieno Y rankos ir stiebas linkę sustingti. Viena ranka gali būti sulenkta atgal, o kita kabo į šoną. Keli Y arba jų bitai dažnai susilieja.

Taigi šiandien abiturientė Sarah Nordeen kantriai ieško tokio, kuris būtų visiškai švarus ir aiškus Y.

Matau vieną – gražią, sako ji. Anthony Schuller, postdoc struktūrų biologas, valdantis kompiuterį, šiek tiek priartina jos rodomą vingį. Keliais pelės paspaudimais jis liepia krio-EM užfiksuoti stambius planus, kuriuos Nordeen galės analizuoti vėliau. Jei jai pavyks gauti pakankamai šių gražiai išsaugotų Y, galiausiai ji gali juos sujungti, kad sukurtų 3D šios struktūros atvaizdą – tai padės jai ir kitiems mokslininkams geriau suprasti, kaip ji tarnauja kaip vartų sargas ląstelėse.



  Thomas Schwartz atidaro krio-EM nuotrauka

Biologijos profesorius Thomas Schwartz vadovavo pastangoms gauti MIT krioEM, leidžiančius tyrėjams pamatyti mažesnius nei 3 angstremus vaizdus. Bobas O'Connoras

Tai gyvenimas MIT.nano – objekte, kuris praėjusį rudenį buvo atidarytas Didžiojo kupolo šešėlyje. Su dviem krio-EM mašinomis ir kita įranga, kuri bus įdiegta ateinančiais metais, įvairių sričių mokslininkai modeliuos, statys ir taisys daiktus atominiu ir molekuliniu mastu.

Kai kurie mokslininkai naudos MIT.nano, kad sukurtų tvirtesnius kvantinių kompiuterių kubitus. Kiti gali dirbti su anodų ir katodų molekuline sandara, kad jie nesusidėvėtų ir pailgėtų baterijų naudojimo laikas. Dar kitos grupės tikisi sukurti medžiagas, optimizuotas tam tikroms funkcijoms, pritaikydamos savo molekulines struktūras taip, kad būtų efektyviau praleidžiama elektra, sukuriama ryškesnių spalvų kompiuterių ekranuose arba į kraują išleidžiami tiksliniai vaistai. MIT.nano netgi turės nanomastelio meno programą. Menininkai gali naudoti MIT.nano tyrėjų sukurtas medžiagas arba pasinaudoti pastate esančiais įrankiais, kad galėtų tiksliai kontroliuoti, kaip objektai mirksi, jaučiasi ar kvepia.



Visi šie pritaikymai yra įmanomi dėl vis geresnių medžiagų vaizdavimo atominiu lygmeniu metodų. Mes kuriame naujus matymo būdus, o tada matome naujus kūrimo būdus, prezidentas L. Rafaelis Reifas sakė spalio mėn. MIT.nano pristatymo ceremonijoje.

Kad būtų atsižvelgta į tarpdisciplininį viso to aspektą, joks fakultetas neturės biurų 400 mln. USD vertės MIT.nano pastate; ten įsikurs tik kelios dešimtys darbuotojų, kurie prižiūrės įrangą. Mikroskopai, švarios patalpos ir gamybos įrenginiai skirti žmonėms iš viso universiteto padalinių. Skirta erdvė reiškia, kad naujos įrangos nereikės įsprausti į jau supakuotas laboratorijas, be to, vienu metu gali būti naudojamos kelios svarbių mašinų versijos, nekylant kryžminio užteršimo pavojaus, o tai padidina tyrimų pajėgumus. Tai taip pat reiškia, kad mokslininkai turės prieigą prie pažangiausios įrangos, kurią būtų per brangu eksploatuoti ir prižiūrėti savo laboratorijose, ir ji nesėdės be darbo, kai jos nenaudos.

  Žnyplių, laikančių 3 mm bandinio atraminį tinklelį, vaizdas

Biologijos magistrantė Sarah Nordeen uždėjo nedidelį mielių branduolinių porų Y komplekso pavyzdį ant trijų milimetrų bandinio atraminio tinklelio ir užšaldė baltymus stiklakūnio ledo sluoksnyje krio-EM analizei. Bobas O'Connoras



Žvilgsnis į baltymus

Mėnesius po atidarymo didžioji MIT.nano dalis buvo tuščia. Vis dėlto objektas – 12 pastatas, esantis prie Begalinio koridoriaus universiteto miestelio centre – buvo įspūdingas – aptaki stiklo ir plieno konstrukcija, iš kurios atsiveria vaizdas į taką su bambukais ir beržais. (Jis vadinamas Netikimybių pasivaikščiojimu velionės instituto profesorės ir nano pradininkės Mildred Dresselhaus garbei, kuri kadaise savo karjerą apibūdino kaip neįtikėtiną, atsižvelgiant į jos kuklią pradžią.) Bet jei pažvelgtumėte, pamatytumėte švarias patalpas ir laboratorijų erdvę, kurios laukia būti naudojamas. Reikia laiko, kol iš 39 pastato, kuriame įsikūrusios Microsystems Technology Laboratories, perkelti kai kuriuos pažangiausius MIT įrankius, skirtus stebėti ir kurti nanoskalės daiktus, ir nustatyti bei surinkti lėšas naujesnei įrangai, į kurią verta investuoti.

Kai kurie MIT nanotechnologijų etapai

  • 1959 m

    „Caltech“ kalboje „There’s Plenty of Room at the Bottom“ Richardas Feynmanas '39 žvelgia į dešimtmečius į priekį, iki dienos, kai mokslininkai galės išdėstyti atomus taip, kaip mes norime, ir sukurti naudingas mašinas nano skalėje.

  • 1960 m

    MIT sudaromas Puslaidininkių elektronikos švietimo komitetas.

  • 1968 metai

    „Microlab“ atidaroma 13 pastate.

  • 1972 m

    Henry Smithas ir D.L. Spears siūlo naudoti rentgeno litografiją, kad būtų pagamintos silicio grandinės su nanoskalės savybėmis.

  • 1984 m

    MTL („Microsystems Technology Labs“) atidaromas 39 pastate.

  • 1992 m

    Mildredas Dresselhausas ir jo kolegos prognozuoja, kad būtų galima pagaminti puslaidininkius arba metalinius anglies nanovamzdelius, šiek tiek pakeitus jų geometriją. Ji taip pat pradeda tyrinėti būdus, kaip išnaudoti termoelektrinį efektą nano mastu, atverdama naują lauką.

  • 1993 m

    Moungi Bawendi grupė išranda būdą, kaip sintetinti nanokristalus arba kvantinius taškus.

  • 1994 m

    Robertas Langeris, ScD '74, ir jo kolegos naudoja nanomolekules, kad vaistai būtų tiekiami efektyviau ir su mažiau šalutinių poveikių.

  • tęsėsi žemiau

Be triukšmingų bakalauro chemijos laboratorijų viršutiniame pastato aukšte, ankstyvieji MIT.nano veiksmai vyko rūsyje. Kad veiktų krio-EM ir panašūs instrumentai, rūsyje yra specialios patalpos, kurios yra apsaugotos nuo elektromagnetinės spinduliuotės (negalite gauti mobiliojo telefono signalo), ir įrengtos platformos, kurios panaikina pastato ir išorinio pasaulio vibracijas. Krio-EM aparatas kainuoja apie 5 mln. kambarys, kuriame jis yra, yra papildomi trys ar keturi milijonai. Turėti dvi universiteto miestelyje yra sveikintinas pokytis. Prieš atidarant MIT.nano, MIT mokslininkai turėjo pasiskolinti laiko senesniems krio-EM modeliams kitose institucijose.

Mokslininkai labai ilgą laiką žvalgėsi į tokio masto dalykus. Pavyzdžiui, rentgeno kristalografija atsirado prieš šimtmetį. Tai leido 1953 m. nustatyti DNR struktūrą. Buvo naudojama branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija, kurią galima naudoti junginio atominei struktūrai nustatyti, ir elektroniniai mikroskopai, kurie paleidžia elektronų pluoštą į objektą ir matuoja, kaip jie išsisklaido. sukurta šeštajame dešimtmetyje. Devintajame dešimtmetyje atsirado skenavimo tuneliniai mikroskopai, galintys atvaizduoti atskirus atomus laidžioje medžiagoje. STM veikia užvesdami itin aštrų antgalį tiesiai virš mėginio ir išmatuodami elektronų, kurie tuneliu nuo galo iki medžiagos, srovę. Tada atsirado atominės jėgos mikroskopas, kurio skiriamoji geba yra dar didesnė. Jis gali stumti ir gaminti atomus ir molekules, taip pat liudyti aktyvumą nelaidžiuose mėginiuose, įskaitant gyvas ląsteles.

Kad ir kokie įspūdingi tie metodai, jie buvo akli didžiuliam kiekiui biologinės medžiagos, kurios didžioji dalis nėra tinkama kristalizuotis ar bombarduoti dideliu energijos kiekiu. Krio-EM, pagrįsti laimėjimais, kurie 2017 m. pelnė Nobelio chemijos premiją, pasirodė esąs ypač naudingi labai detaliai tiriant lipnias medžiagas ląstelių viduje.

Nors krio-EM technologija pradėjo atsirasti devintajame ir dešimtajame dešimtmetyje, per pastaruosius kelerius metus ji žymiai pagerėjo. Kamerų technologijų patobulinimai leido mokslininkams penkis ar dešimt kartų pagerinti skiriamąją gebą: krio-EM dabar gali išspręsti mažesnius nei 3 angstremus vaizdus. (Angstromas, dešimtoji nanometro dalis, yra vandenilio atomo skersmuo.) Ir netrukus vaizdas turėtų tapti daug ryškesnis. Teorinės technikos ribos dar nepasiektos, o dabar kuriamos technologijos gali apriboti žalą, kurią šių mašinų elektronų pluoštai daro tiriamiems mėginiams, sako Edwardas Brignole'as, prižiūrintis krio-EMs MIT.nano.

  Cryo-EM sukurtas vaizdas   Numatoma 3D atominė struktūra

Skaičiavimo būdu sujungę ~ 1 milijono atskirų baltymų vaizdus, ​​Sarah Nordeen ir Anthony Schuller tikisi gauti 3D komplekso atominę struktūrą. Čia parodytas „Nordeen“ numatomas komplekso 3D modelis.

Y formos baltymas, analizuojamas MIT.nano, pirmą kartą pasirodė maždaug prieš dešimtmetį dėl kristalografijos ir kitų metodų. Tai buvo esminė pradžia norint išsiaiškinti, ką jis veikia branduolio porose, nes baltymo funkciją lemia struktūros, kurias natūraliai sudaro jo aminorūgščių grandinės. Tačiau tik dabar turimais įrankiais mokslininkai gali pamatyti ir patį Y, ir jo ryšius su kitais branduolinės poros subvienetais.

Pasak Thomaso Schwartzo, MIT struktūrinio biologo, kurio laboratorijoje yra Nordeen ir Schuller, kad suprastumėte, koks čia mažas mastelis, pagalvokite, kad Y struktūrą sudaro tik apie 100 000 atomų. Jei geriau suprastume, kaip jis dera su kitomis dalimis, galėtume sužinoti, kaip poros leidžia, tarkime, pasiuntinei RNR išeiti iš branduolio, o baltymams patekti. . Kaip kai kurie virusai patenka į branduolį, kur dauginasi? Ar yra būdas tai sustabdyti?

Kiti biologai, kurie paeiliui naudoja krio-EM, turi skirtingus klausimus. Postdoc Xue Fei naudoja jį baltymams, kuriuos bakterijos naudoja atliekoms šalinti, tirti. Kacperis Rogala, Whitehead biomedicininių tyrimų instituto, kuris yra susijęs su MIT, postdoc, tiria atskiras mTOR kelio dalis. Tai signalinis mechanizmas, reguliuojantis ląstelių metabolizmą. Jis buvo susijęs su vėžiu ir ilgaamžiškumu, o galbūt bus įmanoma sukurti vaistus, kurie būtų nukreipti į labai specifines sąveikas šiuo keliu, o ne visą dalyką.

  Rankinio indo įdėjimo į krio-EM vaizdas

Du nauji MIT kriogeniniai elektroniniai mikroskopai, žinomi kaip krio-EM, yra patalpinti MIT.nano platformose, kurios panaikina aplinkos vibracijas. Bobas O'Connoras

Nuo matymo iki transformacijos

Mes tik labai ankstyvoje, ankstyvoje ir ankstyvoje nanoskalės galimybių išnaudojimo dienose, sako Vladimiras Bulovičius, inžinerijos profesorius, MIT.nano direktorius. Sėdime jo jaukiame biure su aukštomis spintelėmis, augalais ir mediniu kavos staliuku, 13 pastate, koridoriuje iš naujai atidaryto koridoriaus, jungiančio viršutinį MIT.nano aukštą. Jis aiškina, kodėl įranga, kuri ilgainiui užpildys pastatą, padės pagrindus pritaikymams, kurių dar nebūtinai įsivaizduojame.

  • 1999 m

    Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, publikuoja Mikrogamyba audinių inžinerijoje ir biodirbtiniuose organuose.

  • 2002 m

    Linda Griffith ir kolegos kuria biologines audinių struktūras ant silicio, kepenis – ant lusto.

  • 2006 m

    Karlas K. Berggrenas su kolegomis demonstruoja nanolaidų įrenginį, galintį aptikti vieną fotoną.

  • 2009 m

    Angela Belcher ir jos komanda naudoja genetiškai modifikuotus virusus, kad sukurtų pagrindinius ličio jonų akumuliatoriaus komponentus.

  • 2014 m

    Scott Manalis, Belcher ir Bhatia demonstruoja prietaisą, kuris labai tiksliai matuoja pavienių nanodalelių masę.

  • 2014 m

    Vladimiras Bulovičius, Marcas Baldo ir kolegos vaizduoja eksitoną, kvazidalelę, atsakingą už energijos perdavimą nanoskalėje. Eksitonas yra būtinas saulės elementams, šviesos diodams ir puslaidininkių grandinėms.

  • 2018 m

    Paula Hammond '84, PhD '93 ir kolegos kuria nanodaleles, kurios kerta pelėms kraujo ir smegenų barjerą, kad galėtų pristatyti vaistus nuo vėžio.

Bulović atliko novatorišką darbą su tokiomis medžiagomis kaip kvantiniai taškai, nano dydžio puslaidininkių dalelės, kurios yra naudingos didelės raiškos televizoriams, saulės elementams ir biologiniams tyrimams. Jie išnaudoja kvantinę mechaniką tokiais būdais, kurių nebuvo galima tiesiogiai pastebėti prieš tai, kai devintajame dešimtmetyje buvo išrastas skenuojantis tunelinis mikroskopas. Tačiau, kaip pabrėžia Bulovičius, prireikė daug laiko, kol šis vizualizacijos proveržis buvo panaudotas gaminiuose. Iš pradžių mes praleidome laiką tiesiog džiaugdamiesi matydami atomus, sako jis. Meistriškumas atomų atžvilgiu atėjo lėtai. 1993 m. IBM mokslininkai sugebėjo sujungti atomus į konfigūracijas, kurios manipuliavo elektronų elgesiu. Tačiau tik 2000-aisiais, pasak Bulovičiaus, mokslininkai įgudo panaudoti STM stebėjimo galias kuriant konkrečias medžiagas.

Dabar jis tikisi, kad panašus procesas vyks MIT.nano, kur mašinos, kurios paprastai buvo naudojamos labai specializuotiems eksperimentams, taps paruoštais įrankių rinkiniais, skirtais platesniam naudojimui.

Vienas iš dėstytojų, einančių nuo matymo iki gamybos, yra Farnazas Niroui, SM '13, PhD '17, kuris ką tik įstojo į inžinerijos fakultetą. Ji gali tiksliai kontroliuoti, kaip elektronai sąveikauja vienas su kitu medžiagose, sukurtose nanoskalėje. Tai sudaro pagrindą įrenginiams, kurie yra daug efektyvesni nei šiandien. Tuo tarpu medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorė Frances Ross ir jos kolegos tiksliai dokumentuoja, kas atsitinka, kai tam tikros rūšies laidžios molekulės savaime susitvarko į nanolaidelius. Jei tokios įžvalgos leidžia išauginti laidus naujų medžiagų viduje, kas žino, kokie elektroniniai prietaisai iš jų bus pagaminti?

Pateikdamas kitą pavyzdį, Bulovičius siekia plastiko gabalo su juodais stačiakampiais. Tai lankstaus, tačiau itin efektyvaus tipo saulės elemento, kuris sugeria daugiau šviesos bangų ilgių, prototipas nei šiandieniniai fotovoltiniai įrenginiai. Norint jį sukurti, mokslininkai prireikė ieškoti mineralų, žinomų kaip perovskitai, kurie gali surinkti saulės energiją, molekulinėmis savybėmis. Bulovičius sako, kad žmonės, einantys MIT.nano, ateinančiais metais gali pažvelgti ir pamatyti, kaip mokslininkai, bandydami tobulinti technologiją, ant plastikinių lakštų tepa perovskito turtingas pastas.

  MIT.nano direktorius ir inžinerijos profesorius Vladimiras Bulovičius.

MIT.nano direktorius ir inžinerijos profesorius Vladimiras Bulovičius. Bobas O'Connoras

Bulovičius pamini šią galimybę pabrėžti švarios energijos tyrimus, vykdomus per MIT tarpdisciplinines programas, tokias kaip „GridEdge Solar“, kurios tikslas – padidinti lengvų, lanksčių saulės elementų gamybą. Tačiau jis taip pat atkreipia dėmesį į skaidrų MIT.nano pobūdį. Didžioji dalis to, kas vyks viduje, išskyrus biologinius tyrimus, bus tęsinys darbo, kuris daugelį metų buvo aktyvus „Microsystems Technology Labs“ – skyriuje, kuriam kažkada vadovavo Bulovičius, Reifas ir provostas Martinas Schmidtas. Tačiau čia, pasak Bulovičiaus, viskas bus atviriau.

Bulovičius prisimena, kad prieš kelerius metus jį aplankė kino režisierius, kuris pasakė: „Žinai, Vladimirai, jūs čia, MIT, esate tarsi paslapčių katilas. Daiktai tiesiog iššoka iš katilo, bet mes nelabai žinome, kas yra sriuba. Parodyk mums sriubą! Būtent ta dvasia, sako Bulovičius, kad visur yra langai.

Norime įsitikinti, kad galite žvilgtelėti, sako jis. Jūs tiksliai nesuprasite, kas vyksta, bet pamatysite aktyvumą. Pamatysite savo amatui pasišventusius žmones ir nustebsite, kaip jiems sekasi – X, Y ar Z.

Jis sako, kad taip pat svarbu, kad švariuose kambariuose ir kitose laboratorijose esantys žmonės matytų. Užtikriname, kad galite pažvelgti už MIT.nano ribų ir pamatyti beržų mirgėjimą ir bambuko siūbavimą, sako jis. Yra išorinis pasaulis, kuris priklauso nuo to, ar vystysite svarbius dalykus.

paslėpti