Алмазный нанотермометр измерил температуру одной клетки

Секрет невероятно точного измерения температуры единичных человеческих клеток — в использовании золота и бриллиантов. Но на самом деле, всё не так роскошно, как кажется. Команда физиков из Гарвардского университета (Harvard University) во главе с Михаилом Лукиным (http://www.physics.harvard.edu/people/facpages/lukin.html) вживили в человеческую клетку очень маленькие алмазы, а точнее наноалмазы — их диаметр составлял всего 100 нанометров. Эти микроскопические камешки способны измерить температуру с точностью до 0,001 градуса.

"Теперь у нас есть прибор для контроля температуры на клеточном уровне. Это позволит подробнее изучить реакции биологических систем на температурные изменения", — рассказывает член команды разработчиков новой методики Питер Маурер (Peter Maurer).

Алмазы — не просто красивые камни, пригодные лишь для ювелирного дела, они также незаменимы в высоких технологиях, например, при изготовлении квантовых компьютеров. Дело в том, что алмазы прекрасно справляются с передачей квантовой информации. В обычных компьютерах информация хранится в двоичных единицах информации или битах, которые могут принимать значение либо "1", либо "0". Но квантовые биты или "кубиты" могут принимать значения "1" и "0" одновременно, а также все промежуточные значения.

Алмазы могут хранить кубиты в электронном состоянии примесей кристаллической решётки углерода. Эти примеси на самом деле выглядят следующим образом: вместо одного из атомов углерода в решётке стоит один атом азота, а в соседнем узле кристаллической решётки располагается вакансия (отсутствующий атом углерода).

Учёные решили использовать эти пробелы и азотные примеси в своих интересах. Электроны, входящие в состав атомов азота, чрезвычайно чувствительны к магнитным полям. Поэтому наноалмаз с единичными атомами азота можно использовать в магнитно-резонансной томографии. Эти магнитные зонды крайне чувствительны и к минимальным температурным перепадам, а значит, они могут послужить прекрасными термометрами.

Проводимый эксперимент походил на работу ювелиров: исследователи использовали нанопровод, чтобы вживить микроскопические алмазы внутрь эмбриональной клетки человека. Затем на клетку направили луч зелёного лазера. Азотные примеси и вакансии в результате стали причиной появления красной флуоресценции.

Интенсивность красного свечения зависела от локальных температур внутри клетки. Достаточно было с помощью чувствительных приборов измерить яркость испускаемого света, чтобы определить температуру всей клетки с точностью до 0,001 градуса. Так как алмазы отлично проводят тепло, нанотермометры хорошо отражают температуру клетки.

На втором этапе эксперимента в ход пошли не только драгоценные камни, но и драгоценные металлы. Физики вживили в клетку наночастицы золота и также направили на них узкий лазерный луч. Золото нагревалось и параллельно повышало температуру в различных частях клетки. Процесс контролировали с помощью всё тех же алмазов: нанотермометры показывали, где именно стало теплее и насколько.

"Алмазные нанотермометры могут быть очень полезны биологам. Многие процессы, начиная от экспрессии генов и заканчивая клеточным метаболизмом, тесно взаимосвязаны с перепадами температур. Биологи могут изучать развитие простейших организмов, круглых червей, к примеру, путём измерения температуры на клеточном уровне. Можно нагревать отдельные клетки и смотреть, ускорится или замедлится развитие соседних", — предлагает Маурер.

Применение для нанотермометра найдётся и в области химии, считает автор одного из похожих исследований Дэвид Оушалом (David Awschalom) из Калифорнийского университета. С помощью микроскопических алмазов можно будет проследить за потоками тепла, воздействующими на химические реакции, особенно в тех случаях, когда соприкасаются две субстанции.

Отметим, что гарвардская команда физиков — далеко не первая среди тех, кто пытался создать сверхточный нанотермометр.

"Наши коллеги использовали флуоресцентные молекулы для слежения за температурными изменениями в человеческих клетках. Методика, которую применили мы, в 10 раз точнее всех остальных — наш термометр способен почувствовать флуктуации до 0,05 Кельвина (0,044 °C)", — рассказывает Маурер.

Впрочем, учёным ещё есть к чему стремиться: если поместить термометр за пределы клетки, то его чувствительность повышается до 0,0018 Кельвинов (0,0016 °C).

Об экспериментах и результатах своих трудов Маурер и его коллеги написали статью, которая вышла в журнале Nature.

Также по теме: Предложено измерять температуру по-новому  Физики протестировали сверхточные атомные часы  На Большом адронном коллайдере поставлен мировой рекорд температуры  Канадская школьница создала фонарь, работающий от тепла человеческого тела

vesti.ru

Похожие новости:
Созданы искусственные регенерирующие стволовые клетки
Ученые из Университета штата Северная Каролина совместно с китайскими исследователями создали искусственные стволовые клетки, предназначенные для восстановления сердечных мышц. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature Communications.Биотехнологи изготовили имитирующие клетки наночастицы из биоразлагаемого полимера гликозилированной ..
2016-12-30 4387 0 Технология
0
Искусственные кровяные клетки смогут собирать токсины
Ученые  Калифорнийского Университета в Сан-Диего создали наногубку, которая, находясь внутри организма, способна впитывать выделения бактерий, опасные токсины. Также такие губки могут быть использованы против укусов змей и укусов пчел.Чтобы иммунная система человека ..
2013-04-18 1511 0 Технология
1
Стволовые клетки не восстанавливают сердце у взрослых
Данные исследования ученых из Корнельского университета и университета Бонна говорят, что стволовые клетки и в правду могут заменить мертвые ткани сердца после сердечного приступа в раннем возрасте, но те же клетки теряют эту регенеративную способность у взрослых.Исследование, которое провели на мышах, показало, ..
2012-08-1 2109 0 Технология
0
Иммунитет научили побеждать рак
Исследователи под руководством профессора Стефана Гассера (Stephan Gasser) из Национального университета Сингапура выяснили, каким образом иммунной системе удается распознавать раковые клетки, и почему зачастую защитные системы организма оказываются неспособны полностью уничтожить раковую опухоль. ..
2016-05-11 2409 0 Технология
0
Создан новый тип носителя информации
Американские физики предложили новый компактный носитель информации. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает издание EurekAlert!Физики создали трехмерный алмазный чип, в котором для хранения памяти используются азото-замещенные вакансии — один из дефектов кристаллической решетки, ..
2016-10-27 13560 0 Технология
0
Японцы научились выбраковывать дефектные стволовые клетки
Ученые из Центра прикладных исследований индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток) Киотского университета (Kyoto University, Япония) под руководством нобелевского лауреата, профессора Синъи Яманаки (Shinya Yamanaka), нашла способ выбраковки дефектных стволовых клеток, из которых развивается раковая опухоль. Как сообщает ..
2013-11-19 1968 0 Технология
0
Ученые нашли способ исцелять паралич
Ученым из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии удалось превратить костные и жировые клетки взрослых людей в стволовые клетки, которые способны к регенерации любых тканей, включая сломанный позвоночник. Статья вышла в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.По ..
2016-04-05 2012 0 Технология
3
3D принтер напечатает человеческие органы
Когда-нибудь в будущем, когда вам нужна пересадка почки, вы можете получить 3D-печатный орган созданный именно для вас. Шотландские ученые разработали универсальную методику 3D печати тканей с помощь стволовых клеток. На сегодняшний день, таким образом уже можно изготавливать элементы ..
2013-02-7 4415 0 Технология
0
Ученые вырастили сердечные мышцы для морских свинок
Ученые восстановили поврежденные участки сердечной мышцы морских свинок при помощи клеток сердца (кардиомиоцитов), выращенных из человеческих эмбриональных стволовых клеток, сообщает The Seattle Times. Сердце морской свинки бьется со скоростью 200-250 ударов в минуту, примерно на верхнем ..
2012-08-9 1932 0 Технология
0
Ученые создали новые магнитные технологии охлаждения
Новая технология охлаждения опирается на материалы, которые изменяют свою температуру, когда на них воздействует магнитное поле . Доктор Luis Hueso из исследовательского центра CIC nanoGUNE разработал новую технологию для охлаждения микроэлектронных компонентов. Система охлаждения основана на явлении магнитного охлаждения, ..
2013-02-26 2351 0 Технология
0
Ученые создали способ превращения графита в алмаз
Традиционно искусственные алмазы выращивают из углерода в условиях высочайшего давления, процесс очень долгий и трудоемкий. А ученые Стэнфордского университета выявили менее затратный и более быстрый способ превращения углерода в алмаз. Метод основывается на использовании платинового основания и водорода, и уже в будущем ..
2014-04-09 3252 0 Технология
1
Стволовые клетки кожи помогут вылечить облысение
Ученые из Института Макса Планка в Кельне нашли новый способ получения стволовых клеток, который можно использовать для борьбы с облысением, а также для уменьшения количества экспериментов над животными. Применяя разработанный метод, биологи сумели вырастить кожу мышей в чашке ..
2016-12-21 4327 0 Технология
0
На Дальнем Востоке открылся криобанк стволовых клеток
Первый и единственный в Сибири и на Дальнем Востоке банк стволовых клеток начал свою работу 15 августа во Владивостоке. «Криобанк – банк стволовых клеток заработал на базе Центра клеточных и репродуктивных технологий при краевом клиническом центре специализированных видов медицинской помощи», ..
2014-08-15 1676 0 Технология
0
Учёные добились ускорения роста костной клетки
Исследование, проводимое во главе с И-Сянь Цинем, кандидатом технических наук, профессором кафедры биомедицинской инженерии и директором «Научно-исследовательской ортопедической лаборатории» при «Стоуни-Брукском университете» (Stony Brook University), показали, что использование сфокусированного ультразвука средней интенсивности на остеобласты — молодые ..
2012-07-19 1657 0 Технология
0
Генная инженерия впервые спасла человека от лейкемии
Генетически модифицированные клетки впервые помогли спасти неизлечимо больного ребенка от лейкемии. Об этом сообщает New Scientist.В возрасте трех месяцев у Лейлы диагностировали острый лимфобластный лейкоз — злокачественное заболевание, при котором раковые стволовые клетки костного мозга выбрасывают ..
2015-11-08 1406 0 Технология
-1