新分子裝置的概念圖。對于人體外的實驗（體外），該裝置將嵌套在細胞膜上：當紅光激活時，“報告”分子將檢測局部電場；當被藍光激活時，附著的“修飾劑”分子會改變電場。來源：南加州大學的 Katya Kadyshevskaya

僅使用 100 個原子，就可以檢測和改變電場

南加州大學維特比分校的研究人員創(chuàng)造了第一個可能能夠感應和改變細胞電場的納米級分子裝置，為基礎研究帶來了新的可能性。

生物電是在我們的細胞之間流動的電流，是我們思考、說話和行走能力的基礎。

此外，越來越多的證據(jù)表明，記錄和改變細胞和組織的生物電場在?傷口愈合?甚至可能對抗癌癥和?心臟病等疾病方面發(fā)揮著至關重要的作用。

現(xiàn)在，南加州大學維特比工程學院的研究人員第一次創(chuàng)造了一種分子裝置，它可以做到這兩點：記錄和操縱周圍的生物電場。

這個三角形裝置由兩個連接的小分子組成——比病毒小得多，并且與DNA鏈的直徑相似。

它是一種全新的材料，可以“讀取和寫入”電場，而不會損壞附近的細胞和組織。由短鏈碳原子連接的兩種分子中的每一種都有其獨立的功能：一個分子充當“傳感器”或檢測器，在紅光觸發(fā)時測量局部電場；第二個分子“改性劑”在暴露于藍光時會產生額外的電子。值得注意的是，每個功能都由不同波長的光獨立控制。

雖然不打算用于人類，但有機裝置將部分位于細胞膜的內部和外部，用于體外實驗。

這項工作發(fā)表在材料化學 C 雜志上，由南加州大學維特比教授 Andrea Armani 和 Rehan Kapadia 牽頭。主要作者包括 Mork 化學工程與材料科學系博士后研究員 Yingmu Zhang；和Jinghan He，博士。南加州大學化學系的候選人。合著者包括南加州大學維特比博士后研究員 Patrick Saris；和 Hyun Uk Chae 和 Subrata Das 博士?Ming Hsieh電氣與計算機工程系的候選人。Armani 實驗室負責創(chuàng)造新的有機分子，而 Kapadia 實驗室在測試“改性劑”在光激活時發(fā)電的效率方面發(fā)揮了關鍵作用。

因為報告分子可以插入組織中，所以它可以非侵入性地測量電場，提供超快速、3-D、高分辨率的神經網(wǎng)絡成像。這對于其他研究人員測試新藥的效果或壓力和氧氣等條件的變化可以發(fā)揮至關重要的作用。與許多其他以前的工具不同，它不會破壞健康的細胞或組織，也不需要對系統(tǒng)進行基因操作。

“這種多功能成像劑已經與現(xiàn)有的顯微鏡兼容，”化學工程和材料科學領域的 Ray Irani 主席 Armani 說，“因此它將使從生物學到神經科學再到生理學的廣泛研究人員能夠提出新的問題。關于生物系統(tǒng)及其對不同刺激的反應的問題類型：藥物和環(huán)境因素。新的邊界是無止境的?！?/p>

此外，修飾分子通過改變附近的細胞電場，可以精確地破壞單個點，使未來的研究人員能夠確定整個腦細胞或心臟細胞網(wǎng)絡的級聯(lián)效應。

“如果你家里有無線網(wǎng)絡，如果其中一個節(jié)點變得不穩(wěn)定會怎樣？”?阿瑪尼說?！斑@對您家中的所有其他節(jié)點有何影響？他們還工作嗎？一旦我們了解了像人體這樣的生物系統(tǒng)，我們就可以更好地預測它的反應——或者改變它的反應，例如制造更好的藥物來防止不良行為?！?/p>

“關鍵是，”科琳和羅伯托 帕多瓦尼電氣和計算機工程早期職業(yè)主席卡帕迪亞說，“我們可以用它來詢問和操縱。而且我們可以在空間和時間上以非常高的分辨率來做這兩件事?！?/p>

新有機設備的關鍵是消除“串擾”的能力。如何讓這兩種截然不同的分子結合在一起，又不會像兩個加擾的無線電信號那樣相互干擾？起初，Armani 指出，“這并不是完全顯而易見的，它甚至會成為可能?！?解決方案？由長烷基鏈將兩者分開，這不會影響各自的光物理能力。

這種多功能新分子的下一步包括對神經元甚至細菌進行測試。南加州大學的科學家 Moh El-Naggar 是一位合作者，他之前已經證明了微生物群落在細胞之間和相對較長的距離內轉移電子的能力——這對收獲生物燃料具有巨大的意義。

VMB3000A 研究用三目電腦型生物顯微鏡

參考文獻：

相關推薦： 暗視野觀察

“用于電場傳感和調制的多功能光響應有機分子”，作者：Yingmu Zhang、Jinghan He、Patrick JG Saris、Hyun Uk Chae、Subrata Das、Rehan Kapadia 和 Andrea M. Armani，2021 年 12 月 8 日，Journal of Materials Chemistry?C。
DOI：10.1039/D1TC05065F

這項工作得到了海軍研究辦公室和陸軍研究辦公室的支持。

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