Liha kiviks muutmine kõlab nagu nõia töö muinasjutus.
Aga uus tehnika elusrakkude muutmiseks püsivamateks materjalideks, mis trotsivad lagunemist ja taluvad suure võimsusega sonde, avardab uurimisvõimalusi bioloogidele, kes töötavad välja vähiravi, jälgivad tüvirakkude evolutsiooni või püüavad isegi mõista, kuidas ämblikud muutke ketratava siidi kvaliteeti.
Lihtne ränidioksiidil põhinev meetod pakub materjaliteadlastele ka võimalust "kinnitada" väikesed bioloogilised üksused, nagu punased verelibled, kaubanduslikult kasulikumateks vormideks. Ja vähem alt teoreetiliselt võib see meetod muuta looduslikult kasvanud esemed, nagu näiteks kariloomade maks ja põrn, mitteorgaanilisteks "zombi" koopiateks, mis toimivad samaaegselt erinevates pikkusskaalades makro-nano-ni, keerukamatel viisidel kui kõige arenenumad masinad suudavad toota.
"Miks näha vaeva esemete valmistamisega, kui loodus teeb seda teie eest?" küsib juhtivteadur Bryan Kaehr energeetikaministeeriumi (DOE) Sandia National Laboratoriesist.
Ebatavalist meetodit on käsitletud ajakirjades Proceedings of the National Academy of Sciences, Journal of the American Chemical Society (JACS) ja 8. detsembril ajakirjas Nature Communications.
Esialgne arusaam tuli siis, kui Kaehr ja tollane New Mexico ülikooli (UNM) järeldoktorant Jason Townson avastasid, et nende kasutataval ränidioksiidi suspensioonil on ootamatu omadus: suhteliselt madalal pH-tasemel on ränidioksiidi molekulid selle asemel. üksteisega hüübimist, mis on seotud ainult pindadega, mille vastu nad toetuvad, moodustades kõige õhema kattekihi.
Kaehr mõtles, kas sarnane kate bioloogilistel rakkudel tugevdaks rakustruktuure, nii et neid saaks võimsamate vahenditega pikema aja jooksul uurida. Nii panid teadlased kultiveeritud koerakud ränidioksiidi lahusesse ja lasid segul üleöö taheneda. Seejärel tõstsid nad temperatuuri, et biomaterjal ära põletada. Hämmastaval kombel alles jäid täiuslikult kopeeritud rakud, nagu väikesed klaasist ridamajad.
Kuid paljundatud rakud olid nii tugevad, et Kaehr oletas, et läga pidi katma rakke nii seest kui väljast. Lõhkudes rakkude rida nagu pisikest klaasi, uuris meeskond nende sisemust elektronmikroskoobiga. Nad leidsid, et nad olid tõepoolest replitseerinud nii raku nanoskoopilisi organelle kui ka selle välispinda. Nad olid avastanud viisi, kuidas luua bioloogilisest organismist peaaegu täiuslik ränidioksiidi võltsing alates selle üldisest kujust kuni nanostruktuurideni.
Seda esialgset tulemust kasutavad Soome bioloogid juba kolmemõõtmeliste mudelite loomiseks, mis säilitavad tüvirakkude erinevad etapid nende lõpliku vormi saavutamisel, ütles Sandia kolleeg ja paberi kaasautor Jeff Brinker, kes on ka UNMi professor.
Townson, praegu UNMi õppejõud, kasutab seda meetodit kanarakkudesse sisestatud vähivastaste nanoosakeste liikumise uurimiseks enne nende muundamist ränidioksiidiks. "Optilise mikroskoopiaga on raske moodustada pilti nanoosakeste interaktsioonidest rakkudega, säilitades samal ajal kolmemõõtmelise konteksti, " ütles ta. Bioreplikatsioon, kus proovi saab mehaaniliselt lahata ja elektronmikroskoobiga uurida, pakub nanoskaalal paremat 3-D eraldusvõimet.
Meetodit kasutatakse ka Inglismaa Oxfordi ülikoolis, et uurida sisemisi bioloogilisi muutusi, mille abil ämblikud loovad erinevat tüüpi siidi, kohandades oma mehhanisme lennult (nii-öelda), et luua paksemaid või kleepuvamaid kiude, ütles Brinker..
Veri kui võimalik tooraine
JACS-i artiklis näitasid Kaehr ja kolleegid, et nad saavad kasutada ränidioksiidi tehnikat loodusobjektides püsivate muudatuste tegemiseks. Nad tutvustasid kemikaale, mis muutsid punased verelibled elupäästjalaadsetest objektidest teravateks sfäärideks. Kaehr ja kolleegid muutsid muutuse püsivaks, viies ränidioksiidi läga muudetud punaseid vereliblesid sisaldavasse tassi ja lastes segul kõveneda. Protoplasmaatilise originaali põletamisel jäid meeskonnale alles mikroosakesed, mis võivad olla kasulikud kummikomposiitmaterjalides, mille on loonud rehvitootjad, kes lisavad oma rehvisegusse tugevuse suurendamiseks rutiinselt ränidioksiidi kerasid. Tootjad ei vajaks enam energiat tarbivat tehast sisestatud materjali valmistamiseks, mis bioreplikatsiooni teel moodustuks odav alt ja lihts alt, ütles Kaehr.
„Meie meetodil on hea potentsiaal võrreldes traditsiooniliste ränidioksiidi lisanditega ja selle toorainet – verd – peetakse lihatööstuses jäätmeks,“ütles ta.
Lisaks toiduainetööstuse jäätmetoodetele ütles ta: "Seal on tohutul hulgal kahjutuid baktereid, mida võiksime ühiselt luua ka muid kujundeid."Ta ütles, et baktereid on raskem korjata, kuna neid kaitseb ränidioksiidi sissetungi eest topeltkest, kuid seda saaks teha.
Ajakirjas Nature Communications võtsid Kaehr ja kolleegid sama tehnikat sammu edasi. Nad võtsid maksa, sukeldasid selle ränidioksiidi lahusesse ja kuumutasid seejärel anaeroobselt, et saada maksa kõvenenud, karboniseeritud, täpne duplikaat sentimeetrist nanomeetrini.
"Laseme loodusel tööd teha," ütles ta, "sest me ei tea veel, kuidas ehitada objekti täpselt kuue pikkuse skaalal sentimeetrist nanomeetrini.
"Mõelge akude elektroodidele," ütles ta. "See on kolmemõõtmeline küsimus. Näiteks maksas ja põrnas on evolutsioon juba optimeerinud imendumist ja difusiooni kolmemõõtmelises organisatsioonis. Maks on imeliselt tõhus organ, millel on tohutu imendumispind ja võrratu vabanemisvõime materjalid kanalites, mis ulatuvad suurtest arteritest kuni mõne mikromeetri laiuste kapillaarideni.
"Kui kanname maksa hierarhilise struktuuri üle elektroodile, selle asemel et omada ainult passiivset tahket materjali, oleks meil suurem pindala ruumala kohta, suurem energiasalvestus ja looming, mis on juba olemas. optimeeritud vedelike ja väikeste osakeste väljastamiseks palju suurematele maanteedele, nagu suured veenid ja arterid." Karboniseeritud meetodit saab kasutada ka vähkkasvajate ja muude kasvajate paremaks uurimiseks ilma sageli tüütute ja kulukate protsessideta, mis on tavaliselt vajalikud orgaanilise materjali uurimiseks "kinnitamiseks", töötlemiseks ja stabiliseerimiseks, et vältida selle lagunemist elektronkiire analüüsi käigus. Süsinik, kuna see juhib elektrit, mitte ei neela seda, ei nõrgene ega hävi nagu protoplasma.
See loodusmaailma võimaluste loov kaalutlemine uutel ja peadpööritavatel viisidel on kooskõlas Kaehri teadusuuringute sponsori - DOE teadusbürooga, kes on huvitatud "biomimeetiliste materjalide uurimisest, avastamisest ja kujundamisest". ütles. Osa sellest tööst viidi läbi integreeritud nanotehnoloogiate keskuses, DOE Teadusbüroo kasutajaüksuses, mida juhivad ühiselt Los Alamose ja Sandia riiklikud laborid.
