Ученые разработали настолько миниатюрный термометр, что он способен измерять температуру внутри одной живой клетки и даже ее отдельных частей, включая ядро. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Ограничения прежних нанодатчиков
Ранее для подобных измерений использовали наноалмазы с искусственно созданными дефектами кристаллической решетки, то есть специальными «точками» в структуре алмаза, которые позволяют ему реагировать на температуру. Однако каждый такой кристалл немного отличается, из-за чего показания разных датчиков могут расходиться. Это ограничивает точность измерений внутри клетки.
Исследователи предложили другой подход — молекулярные квантовые наносенсоры. В их основе кристаллы с внедренными молекулами пентацена. После синтеза материал дробили на частицы размером около 200–500 нанометров и покрывали полимером, чтобы они не слипались и оставались безопасными для клеток. Для сравнения, это в сотни раз меньше толщины человеческого волоса и примерно в несколько раз меньше диаметра эритроцита.
Такие датчики называют квантовыми, потому что их работа связана с особенностями поведения электронов в состояниях, где они могут находиться сразу в нескольких конфигурациях.
Как измеряют температуру внутри клетки
Принцип работы основан на сочетании света и микроволн. При облучении зеленым лазером датчики начинают светиться красным. Если одновременно воздействовать микроволнами определенной частоты, яркость свечения меняется.
Температура влияет на то, при какой частоте происходит это изменение. Ученые установили точную зависимость между частотой сигнала и температурой, что позволило использовать ее как измерительный инструмент.
Как датчики попадают в клетки
Чтобы провести измерения, сенсоры вводили в клетки двумя способами: либо через обработку раствором, либо напрямую в ядро. Затем с помощью лазерно-микроволновой системы фиксировали изменения свечения и по ним определяли температуру.
Точность оказалась высокой: различия между показаниями разных датчиков не превышали 0,3 °C. Для сравнения, у наноалмазных сенсоров расхождения могут достигать нескольких градусов. Также выяснилось, что температура в разных частях одной клетки может отличаться примерно на 1 °C.
Что это дает на практике
Помимо температуры, система способна фиксировать и другие параметры, например уровень окислительного стресса. При этом сами датчики не вызывают заметного повреждения клеток.
«Это действительно важный шаг вперед. Теперь можно независимо настраивать сам сенсор, кристалл и защитное покрытие», — отметил химик Нобухиро Янай из Токийского университета, один из авторов исследования.
Физик Сара Манн из Университета Глазго добавляет:
«Это фантастическая веха. Подобные технологии могут быть невероятно полезны для диагностики заболеваний».
Сейчас исследователи работают над тем, чтобы уменьшить размеры частиц еще сильнее и снизить влияние на биологические процессы.
Биоинженеры создали крошечных роботов с нервной системой
Созданы нанороботы, которые охотятся на микробов
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX