Technology Org

Tudományos és technológiai hírek

nano

A csendes-óceáni északnyugati nemzeti laboratórium (PNNL) a Nemzeti Tudományos Alapítvány (NSF) folyamatos csapatának a része, amely molekuláris szinten vizsgálja a nanorészecskék környezeti hatásait.

A nanoanyagok vizsgálata rendkívüli mértékű kihívást jelent. Az eltűnően kicsi nanoanyagok 100 nanométernél kisebb részecskékből készülnek. A nanométer a méter milliárdod része. Egy papírlap ehhez képest durván vastagnak tűnik: 100 000 nanométer széles.

A STORM nevű szuper felbontású fluoreszcens mikroszkópos technika alkalmazásával az ép sejtek belsejében a nanorészecskék (vörös) sorsa nanométeres felbontással tanulmányozható. A nanorészecskék egy része klathrinnel bevont vezikulákon keresztül jut be a sejtbe (zöld), amit közelségük jelez. A képet Galya Orr és Dehong Hu szolgáltatta

Ősiek és természetesek, legalább 4,5 milliárd éve a Föld tájának részei. A homok például egy erózió által létrehozott nanoanyag. A nanoanyagok azonban az ipari korszak teremtményei is. Az elmúlt 250 évben a bányászat, a gazdálkodás, a gyártás, a szállítás és más emberi tevékenységek eredményeként akaratlanul is a levegőbe, a vízbe és a földbe kerültek.

Körülbelül az elmúlt 50 évben a nanoanyagokat szándékosan úgy fejlesztették ki, hogy azok kémiai, fizikai és elektromos tulajdonságait kihasználják. Az orvostudománytól és a kozmetikától az energetikáig és az űrhajózásig a nanoanyagok megtalálhatók festékekben, vényköteles gyógyszerekben, fogkrémekben, akkumulátorokban, kötszerekben, napvédő krémekben és még zoknikban is.

A tervezett nanorészecskék körülbelül 0,3 teragramm/év sebességgel jutnak a környezetbe. A teragram 1 billió gramm súlyméret. Ez egy apró töredék a természetes nanorészecskékhez képest, például a por, amelyet a viharvert kőzet eonjai hoznak létre. De minden évben több nanorészecske készül több felhasználásra.

Például az orvostudományban a nanoanyagok lenyűgözően nagy felület/tömeg aránnyal juttathatják el a gyógyszermolekulákat a testbe. Kis méretük lehetővé teszi számukra, hogy pontosan behatoljanak a célsejtekbe és szervekbe.

A nanorészecske-technológiák ígéretet tesznek a már meglévő folyamatok javítására ― például az ipari katalízis gyorsabbá, hatékonyabbá és fenntarthatóbbá válik. A katalízis során a nanoanyagok azt jelentik, hogy kevesebb anyagra van szükség ―, és több anyag már reaktív állapotban van, készen áll a kémiai átalakulások felgyorsítására.

A nanorészecskék kutatása

10 gén expressziós szintjét egyidejűleg számszerűsítettük válaszul a lítium-kobalt-oxid nanorészecskék sejtes expozíciójára. Ezeket a nanorészecskéket lítium akkumulátorokban használják, és valószínűleg ártalmatlanítás után jutnak el a környezetbe. A sejtmagok kék színnel vannak feltüntetve, és a különböző színű pontok a különböző gének átiratai. Kép jóváírása: PNNL

2020 nyarán a PNNL-t partnerintézménynek nevezték ki a folyamatos ötéves, 20 millió dolláros NSF-támogatásban, amelyet molekuláris szintű kutatásra szántak a különféle környezetbe juttatott nanoanyagok átalakulására, kölcsönhatásaira és hatásaira vonatkozóan. Kilenc államban tizenkét intézmény vesz részt. Közülük a PNNL az egyetlen amerikai energetikai minisztérium nemzeti laboratóriuma.

Ez az új támogatás az NSF Kémiai Osztályától származik, amely továbbra is a Fenntartható Nanotechnológiai Központot (CSN) finanszírozza, egy multinacionális kutatóközpont a Wisconsin-Madison Egyetemen. A CSN-t 2012-ben alapították, a PNNL avató partnerként.

A PNNL kutatói alkalmazzák az EMSL munkatársainak szaktudását és műszereit - a Environmental Molecular Sciences Laboratory, az Egyesült Államok Energetikai Minisztériumának felhasználói létesítménye, amely a PNNL campuson található. Az EMSL szakterülete a molekuláris szintű biológiai és biogeokémiai vizsgálatok.

Egészségügyi problémák

Körülbelül az elmúlt 20 évben a nanoanyagok modern jelenléte intenzív tanulmányozás tárgyává tette őket a lehetséges egészségügyi hatásokkal kapcsolatban. Az egyik gond az, hogy az ilyen kicsi részecskék bejuthatnak a testbe, és könnyen becsúszhatnak a véráramba vagy a tüdőszövetbe.

A CSN ezen technológiai szempontból releváns nanoanyagok molekuláris szintű átalakulására és hatásaira összpontosít. A megújított pályázattal finanszírozott kutatók konkrétan arra törekszenek, hogy előre megismerjék a mesterségesen előállított nanoanyagok sorsát, miután belépnek a levegőbe, vízbe, talajba és az emberi testbe.

"A gyártott nanoanyagok már régóta nincsenek a környezetben" - mondta a University of Wisconsin-Madison kémia professzora és a CSN igazgatója, Robert Hamers. "Tehát a biológiai rendszerek nem alkalmazkodtak a kihívásokhoz, így nagyobb környezeti hatások maradtak fenn."

A PNNL és másutt kutatók azt kérdezik: Milyen molekuláris események fordulnak elő a nanoanyagok és a biológiai rendszerek határterületén a környezetben? Hogyan lehet enyhíteni a negatív hatásokat?

A PNNL szerepet játszik

A PNNL-nél az NSF-ösztöndíj egyik fő kutatója Galya Orr tudós, molekuláris biológus, aki csaknem 8 éve aktív a CSN kutatásában.

"Ezeknek a folyamatoknak és kölcsönhatásoknak a molekuláris szintű megértése lehetővé teszi a biztonságosabb, következő generációs nanoanyagok tervezését és szintézisét" - mondta ― nanoanyagok, amelyek fenntartják a "nagy teljesítményt, miközben minimálisan befolyásolják a biológiai rendszereket".

Korrelatív atomi erő mikroszkópia (bal felső) és szuper felbontású fluoreszcens mikroszkópia (bal alsó) segítségével ugyanazon sejt képének elkészítéséhez bizonyos nanorészecskék (piros) azt találták, hogy a sejtmembránon kötődnek a speciális nanodoménekhez, az úgynevezett lipid-tutajokhoz (zöld) . Az átfedett kép a jobb oldalon látható, ahol a jobb felső sarokban található beillesztés a szaggatott négyzettel jelölt terület nagyítását mutatja. A sejtmag kék színnel látható. Kép jóváírása: PNNL

Orr szerint a CSN egyik alapvető küldetése „azon kritikus molekuláris és biokémiai folyamatok azonosítása, amelyek a nanoanyagok és a biológiai rendszerek közötti határfelületen fordulnak elő”.

Ez azt jelenti, hogy reprezentatív sejttípusokat és organizmusokat kell felhasználni a molekuláris válaszokra és a környezeti hatásokra való összpontosításra. Ebben a szférában a PNNL számára előnyös az EMSL, valamint az egyedülálló személyzet és műszerek használata. Orr rámutatott az EMSL szaktudására az egyetlen molekula alapú szubdiffrakciós fluoreszcencia képalkotásban az élő sejtekben. Ezekkel a biofizikai mikroszkópos technikákkal egyetlen fluoreszkált molekula detektálható és elemezhető oly módon, hogy alig zavarja a biológiai mintákat.

Ez a képesség, mondta Orr, fokozza az intakt hidratált sejtek molekuláris és biokémiai folyamatainak tanulmányozását. Fontos, hogy az ilyen vizsgálatok nanométeres térbeli felbontásokon és nagy kémiai szelektivitással zajlanak ― mindkét EMSL specialitás. Az egyes sejtek kvantitatív elemzésében a PNNL tudósai egy ehhez kapcsolódó EMSL képességet is felhasználnak, mondta Orr: „szuperfelbontás és más fluoreszcencia mikroszkópos technikák” atom-erő mikroszkóppal kombinálva.

Atom-erő mikroszkóppal vizsgálják a sejtek felületét, és tanulmányozzák annak topográfiáját. A technológia egy éles végű konzolt alkalmaz, amely pásztáz, amikor az atomi erők által a minta felé terelődik. A kapott kép felbontása nanométer töredékeiben mérhető. Ilyen technológiák mellett a PNNL-EMSL technológia nexus fokozza a molekuláris és biokémiai folyamatok tanulmányozását az ép sejtek és a nanoanyagok határfelületén.

A nanotechnológia ígérete

A CSN, a Fenntartható Nanotechnológiai Kutatások Központja, az NSF egyik kémiai innovációs központja, amelynek feladata alapvető kutatások elvégzése a „nagy kihívásokkal kapcsolatban a területen” - mondta David Berkowitz, az ilyen központokat felügyelő Kémiai Osztály igazgatója. A CSN kutatását „a jövő iparának kulcsfontosságú elemének” nevezte. Jó okkal.

100 nanométernél kisebb méretben, sokoldalú formájával és anyagjellemzőivel a nanorészecskéket beépítették az összetett anyagokba, például a modern gumiabroncsokban használt szilícium-dioxid nanorészecskékbe. A nanorétegek javítják a polimerek szilárdságát és lehetővé teszik a nem kőolaj polimerek jövőjét.

A nanoanyagok ígéretet tesznek a szerves klórvegyületek semlegesítőiként a szennyezett víztartó rétegekben, valamint a kvantumképalkotó pontok, a molekulamágnesek és a molekuláris elektronika számára szükséges nanohuzalok alapjául szolgáló technológiák. Ezenkívül a nanoanyagok nagyméretű felülettel rendelkeznek, ez például katalitikus alkalmazásokban kívánatos tulajdonság. Egy teáskanálnyi szilícium-dioxid-nanoszférát, mindegyik 10 nanométer átmérőjű, nagyobb felületű, mint egy tucat teniszpályát, amelyek párosokat játszanak.

Sokoldalúságuk növelése érdekében a nanorészecskék lehetnek szervesek, például liposzómák és elágazó láncú molekulák, amelyeket dendrimereknek neveznek. Szervetlenek is lehetnek, például kvantumpontok és az érzékelőkben, szondákban és diagnosztikai eszközökben használt arany nanorészecskék.

Minden ígéretük és az iparban és az orvostudományban való egyre növekvő hasznosságuk ellenére a nanorészecskék óvatosságot váltanak ki. Nemcsak könnyen becsúszhatnak a tüdőszövetbe vagy a véráramba, hanem egyetlen sejt szintjén is kölcsönhatásba léphetnek az élő szövetekkel.

Kaméleon részecskék

Orr és csapata kiemelkedik abban a nanorészecske-kölcsönhatásban, amely egyetlen élő sejtet tartalmaz. A múltban Orr a nanorészecskéket ― hatalmas felület-tömeg arányukkal és reaktív természetükkel ― „apró kaméleonként” jellemezte, amelyek gyorsan változhatnak, ha kölcsönhatásba lépnek a biológiai rendszerekkel. Ez a gyors reaktivitás megnehezíti a viselkedésük megjóslását, miután belélegezték vagy lenyelték őket, mivel képesek megszemélyesíteni a sejtkomponenseket vagy az oxigént szállító rendszereket, például a tüdőben lévő vezikulákat.

Kiszámíthatatlanságuk az egyik legfontosabb eleme annak, amit Berkowitz „nagy kihívásnak” nevezett a biológiai rendszerek nanorészecskékkel való cseréjének megértésében. Kiderült, hogy a nanorészecskék az élőlények vagy sejtek belsejében kémiai flipperek. Rackelnek körül, hogy kárt okozjanak, vagy megnyerik a játékot? Biokompatibilisek vagy biotoxikusak lesznek-e?

Az élő sejtek esetében a válasz: vagy, mindkettő ― csúszós valóság a nanorészecskék folyamatosan változó reaktivitása és kémiai állapota miatt. A CSN blogjában Orr két példát tárgyal: cérium-dioxid nanorészecskéket, a ritkaföldfém-cérium polírozószerként használt oxidját és a cink-oxid nanorészecskéket napvédő krémben.

A kitérő mérése

A kihívás azután az lesz, hogy miként lehet mérni a nanorészecskék változó kémiai állapotát a törékeny, hidratált, élő sejtekben. Ebből a célból Orr és kutatócsoportja olyan technikákat alkalmaz, mint a szuperfelbontású fluoreszcens mikroszkópia a nanorészecskék vizsgálatára egy organellán belül, nanométeres felbontással.

A pozitív töltésű szilícium-dioxid nanorészecskéknek kitett képsejtek fluoreszcens mikroszkópiájával a kutatók azt találták, hogy a (vörös) nanorészecskék hajlamosak kis intracelluláris vezikulákban aggregálódni a syndecan-1-vel (zöld) együtt, egy sejtmembrán proteoglikánnal, amely kölcsönhatásba lép a nanorészecskékkel és közvetíti mozgásukat a nanorészecskékbe. a vezikulum. A sejteket és az atommagokat szaggatott fehér vonalakkal körvonalazzák. Kép jóváírása: PNNL

De nehéz.

Egyrészt úgy tűnik, hogy a nanoanyagok kémiai tulajdonságai attól függenek, hogy a részecskék hol vannak egyetlen sejtben. Ezek a tulajdonságok attól is függenek, hogy a nanoanyagok milyen gyorsan bomlanak le. Amikor ez megtörténik, Orr csapata felfedezte, általában a nanorészecskék okozzák a legtöbb kárt.

Orr és csapata röntgen mikroszkóppal is megszerzi az úgynevezett morfometrikus adatokat, hogy szemléltesse, mi történik az élő sejteken belül és kívül. A technika párosít egy erős mikroszkópot szinkrotron által generált röntgensugarakkal a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium fejlett fényforrásában.

Egy másik vizualizációs technikával a PNNL kutatói differenciális interferencia kontrasztmikroszkóppal rögzítik a nanorészecskék mozgását, amikor belépnek a sejtekbe. Egy másik CSN blogbejegyzésben, amely egy molekulaméretű filmet tartalmaz, Orr összehasonlítja a mozgást a hullámokban szörföző nanorészecskékkel.

Mindezen módon a PNNL hozzájárul a nano-bio kölcsönhatások rejtvényének feloldásához, egy újszerű dinamika, amely egyszerre jelent jótételt és aggodalmat. Végül a megtervezett nanorészecskék egyre nagyobb figyelmet igénylő problémát jelentenek, amelyet az NSF Központ, a PNNL, az Orr és mások adhatnak neki.