Российские и швейцарские биофизики разработали наноустройство, позволяющее одновременно очень точно измерять температуру внутри живых клеток, а также точечно нагревать их. Этот прибор поможет ученым впервые изучить процессы передачи тепла внутри клеток людей и других живых существ, сообщает пресс-служба Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино).
«Термодинамика является одним из самых фундаментальных разделов физики. В применении к клеточной физиологии изучение внутриклеточных термодинамических событий на микро- и нано-уровне до сих пор было невозможно осуществить из-за отсутствия должного инструментария. Наш метод создает новое научное направление — экспериментальную внутриклеточную термодинамику», — заявил заведующий лабораторией ИТЭБ РАН (Пущино) Вадим Цееб, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Цееб и его коллеги уже много лет работают над созданием наноприборов, которые позволяют ученым изучать работу клеток на уровне отельных органелл и молекул. Эти устройства уже помогли в недавнем прошлом ученым обнаружить что внутри митохондрий, клеточных энергостанций, существуют зоны с резкими перепадами температур, которые в прошлом считались несовместимыми с жизнью.
В своей новой работе российские биофизики и их коллеги из Швейцарии представили новую версию подобного устройства, способного не только замерять температуры в отдельных частях клетки, но и нагревать ее по команде экспериментаторов. Как и предыдущая разработка Цееба и его коллег, основой для этого устройства выступают так называемые дефектные наноалмазы.
Новый инструмент для изучения клеток
Дефектными наноалмазами называют мельчайшие драгоценные камни, внутри которых присутствуют так называемые SiV-дефекты, вкрапления из атомов кремния. При облучении такого алмаза при помощи лазера эти дефекты вырабатывают свечение, свойства которого сильно зависят от температуры окружающей среды. Это позволяет измерять нагрев регионов вокруг алмазных наночастиц с точностью до 0,1 градуса Цельсия, не вмешиваясь при этом в работу биосистем.
Российские и швейцарские биофизики выяснили, что этот же наноалмаз можно превратить в нагревательный прибор, если внутри него или на его поверхности будут присутствовать включения из графита. Данная форма углерода активно поглощает свет и преобразует его в тепло, что позволяет использовать наноалмазные градусники для прогрева окружающей их среды.
Работу этих устройств ученые проверили на культурах человеческих раковых клеток и нейронах мышей. Как показали эти опыты, облучение алмазов при помощи слабых вспышек лазера позволяло точно измерять температуру, тогда как увеличение мощности облучения заставляло наночастицы прогревать соседние с ними регионы клеток, что приводило к хорошо заметным изменениям в их жизнедеятельности. В частности, нагрев приводил к переменам в балансе ионов кальция и в раковых клетках, и в нейронах.
Как считают Цееб и его коллеги, подобная особенность созданных ими нанотермометров позволяет использовать их для изучения того, как процессы передачи тепла внутри клеток и в соседней с ними питательной среде влияют на их жизнедеятельность. Это позволит ученым приступить к изучению роли термодинамических процессов в работе ключевых клеточных систем, подытожили ученые.
