Коконы тутового шелкопряда – уникальная находка человека, обеспечившая ему появление нежной и роскошной ткани. Но американские учёные нашли крепкому и натуральному волокну другое применение. После легкой обработки его можно использовать в качестве оптических устройств, применение которых поможет медицине безопасно контролировать многие процессы в живом организме.
Коконы тутового шелкопряда доставляют в Америку из Стране восходящего солнца. Большая часть из их уходит на создание шёлковых тканей и одежды, но часть достаётся и научным группам.
Биоинженер Фьоренцо Оменетто (Fiorenzo Omenetto) из американского института Тафтс однажды задумался над другими возможными применениями крепких белковых волокон, которые навивают вокруг себя гусеницы.
Идея сотворения оптических устройств на базе шёлка появилась у Фьоренцо, когда он вёл совместную работу со своим соседом по этажу медиком Дэвидом Капланом (David Kaplan), занимающимся созданием из белков шёлка различных каркасов для био тканей.
Оменетто, будучи физиком, быстро сообразил, что если из нитей тутового шелкопряда (после соответствующей обработки) можно сделать заменитель роговицы глаза, то почему бы не использовать эту же технологию для сотворения особого оптоволокна?
Вместе с Капланом они обмыслили и разработали технологию сотворения из шёлковых волокон оптических материалов, которые стали основой для различных био сенсоров и других устройств.
Почему же предпочтение отдаётся непосредственно шёлку? Во-1-х, потому что его волокна одни из самых крепких (среди натуральных материалов). Не считая того, белки этого природного продукта растворяются в теле человека без каких-либо последствий для его здоровья.
Создание устройств на базе шёлка не просит обработки исходного продукта едкими и ядовитыми хим соединениями, нет необходимости использовать высокие температуры (как в случае со стеклом и различными пластиками).
Как следствие, в процессе обработки к белкам шёлка можно "пришить" другие био молекулы, которые не выжили бы в агрессивной среде.
Такие встроенные вещества могли бы работать годами. Хотя, естественно, всё зависит от определенных характеристик и "долголетия" того или другого соединения, ведь в любом живом организме идёт постоянное обновления клеток и материалов в связи с их биологическим изнашиванием.
В процессе собственных исследований Фьоренцо вызнал, что при всём при всем этом работают "шёлковые" имплантаты не ужаснее, а то и лучше собственных искусственных аналогов.
О том, как непосредственно в лаборатории Оменетто делают природное оптическое волокно, ведает ведущий технолог Кармен Преда (Carmen Preda).
Чтобы довести шёлковые волокна до подходящего состояния, проводится пару шажков обработки нити, изготовленной гусеницей тутового шелкопряда (Bombyx mori).
Сначала коконы разрезаются напополам, позже оттуда удаляется мёртвая личинка. Половинки варятся в растворе карбоната натрия (щелочная среда). Делается это, чтоб растворился серицин, белковый компонент, склеивающий шёлковое волокно в кокон. Это вещество убирают не столько для того, чтобы "размотать" нить, сколько из-за неблагоприятных последствий деяния серицина на человеческий организм (вызывает ненадобные реакции со стороны иммунной системы).
После того как волокна высыхают, их растворяют в бромиде лития, позже охлаждают и с помощью шприца закачивают в особенные картриджи, обычно используемые для диализа. Пакеты помешают в стакан с водой (таким образом химики "вытягивают" из раствора соль – уходит через полупроницаемую мембрану картриджа).
В конечном итоге всех этих операций внутри контейнера остаётся незапятнанный вязкий раствор фиброина, очищенного белка шёлка. Этот материал и становится основой для будущих разработок Оменетто.
Сама по себе разработка получения фиброина не нова, её в том или ином виде часто употребляют для получения из белка шёлковых волокон аминокислоты тирозина (её по сравнению с другими аминокислотами в фиброине существенно больше).
Новизна данного исследования в том, какое применение протеину шёлка придумали американские исследователи.
Для Фьоренцо сиропообразную жидкость распределяют по пробиркам. Чтобы сделать оптический биосенсор, Оменетто добавляет к фиброину нужные чувствительные к тому или иному компоненту вещества. "К этому аква раствору просто подмешать хоть какое растворимое в воде соединение", — говорит учёный.
Работает всё очень просто. Волокно со встроенной молекулой (детектором кислорода, сахаров или протеинов бактерий) меняет свою структуру, если в определенной близости от неё появляется соединение-цель. В конечном итоге меняются физические свойства материала сенсора, а непосредственно характеристики проходящего через него света (а конкретно, цвет). Датчик фиксирует конфигурации и интерпретирует их в данные о соединении-цели.
Обычный пример: чувствительный к кислороду гемоглобин. Захватывая восьмой хим элемент, он будет поменять оптические характеристики волокна.
Точно так же в живом организме гемоглобин меняет цвет крови, цикл за циклом захватывая и отдавая кислород (различия артериальной и венозной крови видны даже невооружённым глазом).
Вобщем, с разрабатываемыми био сенсорами всё несколько сложнее. Узреть конфигурации на глаз удаётся очень время от времени (да это и не нужно, так как достоверный результат всё равно просит точных измерений и расчётов).
Отметим, что гемоглобин – достаточно стабильный белок, что, обязательно, упрощает работу с ним. Но биохимикам удалось сохранить активность и других, более "нежных" соединений – ферментов.
В качестве показательного опыта группа Оменетто встроила в волокна фиброина летучее соединение пероксидазу, получаемое из растений хрена (Armor&覙cia) и часто используемое в различных тестах. Позже хороший результат был получен и с гексокиназой (энзимом, связывающим сахара).
Биохимики работают над увеличением эффективности поглощения соединений-целей (по сути чувствительности сенсоров).
В предстоящем новейшую разработку планируют использовать в качестве имплантируемых биодеградирующих сенсоров, которые смогут контролировать состояние пациентов, перенёсших операцию или же имеющих обретенные заболевания, например диабет (сенсор на глюкозу).
Но для того чтобы сделать работающее устройство, не довольно легко дополнить фиброин чувствительными молекулами. Необходимо сделать из материала матрицу, имеющую наноразмерные элементы. Это принципно для работы будущего сенсора, ведь свет начнёт взаимодействовать с волокном только при условии соразмерности составляющих с длиной волны (для видимого света это диапазон в границах 400-700 нанометров).
Чтобы показать оптические свойства шёлкового белка (как мы уже произнесли, не довольно чем отличающегося от других оптических материалов), учёные сделали матрицы с гемоглобином.
При помощи обычной хим пипетки раствор разливается в особенные формы, после его оставляют высыхать при комнатной температуре в течение восьми часов. Позже обретенные заготовки осторожно вынимают из формы щипцами.
Получаются обыкновенные сенсоры кислорода. По мере поглощения этого элемента из капли крови, нанесённой одним из учёных, пластинка меняет цвет. Как следствие, меняются характеристики проходящего через сенсор света. Их регистрирует фотодиод.
Ловить можно и глюкозу, и маркеры онкологических заболеваний, и продукты, выдающие присутствие определённых бактерий.
Но результатом всей этой работы станут не только лабораторные чувствительные элементы. Оменетто уже сделал устройство, которое перенаправляет свет от поверхности кожи к сенсору и вспять, где его свойства считывает фотодетектор.
Такие структуры можно будет вживлять после операций по удалению опухолей (мониторинг развития осложнений и повторного развития патологических процессов), во время трансплантации органов и тканей (для контроля над приживаемостью). Со временем сенсоры растворятся в организме, как хирургические нити и создаваемые Капланом каркасы био тканей.
В планах учёных создание сенсоров с более конструктивной сменой цвета (примечательной невооружённым глазом). На разработку таких устройств Фьоренцо вдохновили бабочки морфиды, у каких цвет крыльев определяется не пигментацией, а структурой микроскопических белковых палочек. Под действием молекулы-цели изменялись бы положение наноструктур и общий цвет сенсора.
По словам Оменетто, данная разработка – только вопрос времени, так как единственное препятствие на пути к таким более информативным сенсорам – это создание подходящих форм-заготовок.
Источник : www.membrana.ru
Шелкопряд помог сплести исчезающее оптоволокно
Коконы тутового шелкопряда – уникальная находка человека, обеспечившая ему появление нежной и роскошной ткани. Но американские учёные нашли крепкому и натуральному волокну другое применение. После легкой обработки его можно использовать в качестве оптических устройств, применение которых поможет медицине безопасно контролировать многие процессы в живом организме.
Коконы тутового шелкопряда доставляют в Америку из Стране восходящего солнца. Большая часть из их уходит на создание шёлковых тканей и одежды, но часть достаётся и научным группам.
Биоинженер Фьоренцо Оменетто (Fiorenzo Omenetto) из американского института Тафтс однажды задумался над другими возможными применениями крепких белковых волокон, которые навивают вокруг себя гусеницы.
Идея сотворения оптических устройств на базе шёлка появилась у Фьоренцо, когда он вёл совместную работу со своим соседом по этажу медиком Дэвидом Капланом (David Kaplan), занимающимся созданием из белков шёлка различных каркасов для био тканей.
Оменетто, будучи физиком, быстро сообразил, что если из нитей тутового шелкопряда (после соответствующей обработки) можно сделать заменитель роговицы глаза, то почему бы не использовать эту же технологию для сотворения особого оптоволокна?
Вместе с Капланом они обмыслили и разработали технологию сотворения из шёлковых волокон оптических материалов, которые стали основой для различных био сенсоров и других устройств.
Почему же предпочтение отдаётся непосредственно шёлку? Во-1-х, потому что его волокна одни из самых крепких (среди натуральных материалов). Не считая того, белки этого природного продукта растворяются в теле человека без каких-либо последствий для его здоровья.
Создание устройств на базе шёлка не просит обработки исходного продукта едкими и ядовитыми хим соединениями, нет необходимости использовать высокие температуры (как в случае со стеклом и различными пластиками).
Как следствие, в процессе обработки к белкам шёлка можно "пришить" другие био молекулы, которые не выжили бы в агрессивной среде.
Такие встроенные вещества могли бы работать годами. Хотя, естественно, всё зависит от определенных характеристик и "долголетия" того или другого соединения, ведь в любом живом организме идёт постоянное обновления клеток и материалов в связи с их биологическим изнашиванием.
В процессе собственных исследований Фьоренцо вызнал, что при всём при всем этом работают "шёлковые" имплантаты не ужаснее, а то и лучше собственных искусственных аналогов.
О том, как непосредственно в лаборатории Оменетто делают природное оптическое волокно, ведает ведущий технолог Кармен Преда (Carmen Preda).
Чтобы довести шёлковые волокна до подходящего состояния, проводится пару шажков обработки нити, изготовленной гусеницей тутового шелкопряда (Bombyx mori).
Сначала коконы разрезаются напополам, позже оттуда удаляется мёртвая личинка. Половинки варятся в растворе карбоната натрия (щелочная среда). Делается это, чтоб растворился серицин, белковый компонент, склеивающий шёлковое волокно в кокон. Это вещество убирают не столько для того, чтобы "размотать" нить, сколько из-за неблагоприятных последствий деяния серицина на человеческий организм (вызывает ненадобные реакции со стороны иммунной системы).
После того как волокна высыхают, их растворяют в бромиде лития, позже охлаждают и с помощью шприца закачивают в особенные картриджи, обычно используемые для диализа. Пакеты помешают в стакан с водой (таким образом химики "вытягивают" из раствора соль – уходит через полупроницаемую мембрану картриджа).
В конечном итоге всех этих операций внутри контейнера остаётся незапятнанный вязкий раствор фиброина, очищенного белка шёлка. Этот материал и становится основой для будущих разработок Оменетто.
Сама по себе разработка получения фиброина не нова, её в том или ином виде часто употребляют для получения из белка шёлковых волокон аминокислоты тирозина (её по сравнению с другими аминокислотами в фиброине существенно больше).
Новизна данного исследования в том, какое применение протеину шёлка придумали американские исследователи.
Для Фьоренцо сиропообразную жидкость распределяют по пробиркам. Чтобы сделать оптический биосенсор, Оменетто добавляет к фиброину нужные чувствительные к тому или иному компоненту вещества. "К этому аква раствору просто подмешать хоть какое растворимое в воде соединение", — говорит учёный.
Работает всё очень просто. Волокно со встроенной молекулой (детектором кислорода, сахаров или протеинов бактерий) меняет свою структуру, если в определенной близости от неё появляется соединение-цель. В конечном итоге меняются физические свойства материала сенсора, а непосредственно характеристики проходящего через него света (а конкретно, цвет). Датчик фиксирует конфигурации и интерпретирует их в данные о соединении-цели.
Обычный пример: чувствительный к кислороду гемоглобин. Захватывая восьмой хим элемент, он будет поменять оптические характеристики волокна.
Точно так же в живом организме гемоглобин меняет цвет крови, цикл за циклом захватывая и отдавая кислород (различия артериальной и венозной крови видны даже невооружённым глазом).
Вобщем, с разрабатываемыми био сенсорами всё несколько сложнее. Узреть конфигурации на глаз удаётся очень время от времени (да это и не нужно, так как достоверный результат всё равно просит точных измерений и расчётов).
Отметим, что гемоглобин – достаточно стабильный белок, что, обязательно, упрощает работу с ним. Но биохимикам удалось сохранить активность и других, более "нежных" соединений – ферментов.
В качестве показательного опыта группа Оменетто встроила в волокна фиброина летучее соединение пероксидазу, получаемое из растений хрена (Armor&覙cia) и часто используемое в различных тестах. Позже хороший результат был получен и с гексокиназой (энзимом, связывающим сахара).
Биохимики работают над увеличением эффективности поглощения соединений-целей (по сути чувствительности сенсоров).
В предстоящем новейшую разработку планируют использовать в качестве имплантируемых биодеградирующих сенсоров, которые смогут контролировать состояние пациентов, перенёсших операцию или же имеющих обретенные заболевания, например диабет (сенсор на глюкозу).
Но для того чтобы сделать работающее устройство, не довольно легко дополнить фиброин чувствительными молекулами. Необходимо сделать из материала матрицу, имеющую наноразмерные элементы. Это принципно для работы будущего сенсора, ведь свет начнёт взаимодействовать с волокном только при условии соразмерности составляющих с длиной волны (для видимого света это диапазон в границах 400-700 нанометров).
Чтобы показать оптические свойства шёлкового белка (как мы уже произнесли, не довольно чем отличающегося от других оптических материалов), учёные сделали матрицы с гемоглобином.
При помощи обычной хим пипетки раствор разливается в особенные формы, после его оставляют высыхать при комнатной температуре в течение восьми часов. Позже обретенные заготовки осторожно вынимают из формы щипцами.
Получаются обыкновенные сенсоры кислорода. По мере поглощения этого элемента из капли крови, нанесённой одним из учёных, пластинка меняет цвет. Как следствие, меняются характеристики проходящего через сенсор света. Их регистрирует фотодиод.
Ловить можно и глюкозу, и маркеры онкологических заболеваний, и продукты, выдающие присутствие определённых бактерий.
Но результатом всей этой работы станут не только лабораторные чувствительные элементы. Оменетто уже сделал устройство, которое перенаправляет свет от поверхности кожи к сенсору и вспять, где его свойства считывает фотодетектор.
Такие структуры можно будет вживлять после операций по удалению опухолей (мониторинг развития осложнений и повторного развития патологических процессов), во время трансплантации органов и тканей (для контроля над приживаемостью). Со временем сенсоры растворятся в организме, как хирургические нити и создаваемые Капланом каркасы био тканей.
В планах учёных создание сенсоров с более конструктивной сменой цвета (примечательной невооружённым глазом). На разработку таких устройств Фьоренцо вдохновили бабочки морфиды, у каких цвет крыльев определяется не пигментацией, а структурой микроскопических белковых палочек. Под действием молекулы-цели изменялись бы положение наноструктур и общий цвет сенсора.
По словам Оменетто, данная разработка – только вопрос времени, так как единственное препятствие на пути к таким более информативным сенсорам – это создание подходящих форм-заготовок.
Источник : www.membrana.ru
Комментарии