Наномоторы впервые заработали в живой клетке

Группа биохимиков и биоинженеров из Университета штата Пенсильвания (Penn State University) впервые смогла разместить микроскопические синтетические двигатели внутри живых человеческих клеток и с помощью ультразвуковых и магнитных волн управлять их движением.

Эти крошечные двигатели впервые были разработаны учеными десять лет назад. До сих пор наномоторы не были изучены на живых человеческих клетках – только в лабораторных условиях, с помощью аппаратуры.

Прежде никто не видел, как передвигаются эти наномоторы, как они влияют на структуры внутри клеток, и как живые клетки демонстрируют внутренний механический ответ. Наше исследование является ярким доказательством того, что с помощью использования синтетических наномоторов можно будет изучать клеточную биологию по-новому. Мы могли бы использовать эти наномоторы для лечения рака и других заболеваний путём механического воздействия на клетки изнутри. Также подобные устройства в будущем смогут доставлять лекарства неинвазивно непосредственно в ткани и даже выполнять задачи внутриклеточной хирургии.

– Том Маллук, профессор материаловедения, химии и физики

Микроскопические синтетические двигатели, созданные из частиц металлов (золота и рутения), похожи по форме на ракету. Они могут передвигаться внутри клеток и разрывать клеточную мембрану – при необходимости.

Наши двигатели первого поколения работали на токсичных видах топлива, и к тому же не были способны двигаться в биологической жидкости, поэтому тогда не было никакой возможности изучить их внутри клеток человека. Это ограничение было серьёзной проблемой. 

– Том Маллук

Вскоре Маллук вместе с французским физиком Морисио Ойос (Mauricio Hoyos) установили, что с помощью ультразвуковых волн наномоторы можно привести в действие.

В ходе экспериментов ученые поместили наномоторы в человеческие клетки HeLa.

HeLa –  линия «бессмертных» клеток, которую получают из раковой опухоли шейки матки. В отличие от обычных клеток, имеющих предел Хейфлика – граница количества делений соматических клеток – клетки HeLa могут делиться бесконечное количество раз.

^{Деление клеток HeLa под электронным микроскопом}

^{©National Institutes of Health}

Наномоторы, помещенные в клетки HeLa, перемещались по клеточной ткани, направляемые ультразвуковыми волнами. При низкой мощности ультразвука наномоторы двигались очень медленно, оказывая минимальное воздействие на клетку. А при увеличении мощности ультразвука и, соответственно, скорости движения наномоторов, они сталкивались с органеллами, перемешивая содержимое клетки, или прокалывали клеточную стенку.

^{Наномоторы впервые заработали в живой клетке}

^{©Mallouk Lab, Penn State University}

Органеллы (органоиды) – постоянные специализированные структуры в клетках живых организмов. Каждый органоид осуществляет определённые функции, жизненно необходимые для клетки. Органоиды противопоставляют временным включениям клетки, которые появляются и исчезают в процессе обмена веществ.

Наномоторы приводились в движение с помощью ультразвуковых волн, а направление движения задавалось с помощью магнита. Также ученые установили, что наномоторы могут двигаться независимо друг от друга, что очень важно для будущего практического применения.

^{Микроскопические синтетические двигатели внутри живых человеческих клеток}

^{©Mallouk Lab, Penn State University}

Автономное движение может помочь наномоторам избирательно уничтожать клетки. Например, если вы хотите с их помощью искать и уничтожать раковые клетки, будет гораздо лучше, если они смогут передвигаться самостоятельно, чем ежели целая масса наномоторов будет двигаться в одном направлении. <…> Способность наномоторов влиять на живые клетки открывает огромные перспективы для медицины. В идеале однажды наномоторы смогут путешествовать внутри человеческого тела, общаться друг с другом и выполнять различные виды диагностики и лечения. Существует множество различных способов применить эту технологию в деле, и наше открытие продвинуло нас вперёд.

– Том Маллук