Наноухо услышит мысли бактерий о нас

Немецким ученым удалось сконструировать микрофон, способный улавливать звуки, издаваемые… клетками. Теперь за микроорганизмами можно будет не только подглядывать, но и подслушивать их "разговоры". В основе этого устройства, названного "наноухом", лежат наночастицы золота, зафиксированные при помощи всем известного "оптического пинцета".

Фото:

Увидеть то, что происходит в микромире, людям удалось еще свыше трехсот лет тому назад — с того времени, как появились первые микроскопы. С тех пор они постоянно совершенствуются — мы можем видеть даже отдельные крупные молекулы, например, ДНК. Но вот услышать звуки микромира пока что еще никому не удавалось. Дело в том, что до сих пор не удавалось сконструировать такой чувствительный микрофон, который бы их улавливал.

А ведь микромир отнюдь не молчалив. Многие процессы, происходящие в клетках, должны стимулировать образование упругих волн, распространяющихся в какой-либо упругой среде и создающих в ней механические колебания, то есть звуки. Например, вращающийся "винтом" клеточный жгутик, колеблющиеся реснички на мембране, а также процесс поглощения клеткой какой-либо твердой частицы или капли воды, по идее, должны рождать звуки. Не исключено, что клетки сами по себе тоже как-то "звучат" — ведь звук может появляться как результат процессов, происходящих внутри них. Но как же можно его услышать?

Следует заметить, что к изобретению подобного устройства ученые шли постепенно. Первой ласточкой здесь был так называемый "оптический пинцет", сконструированный в 80-х годах прошлого столетия. Этот прибор позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света, испускаемого лазерным диодом. Благодаря этому тонкому лучу, к объекту (например, к клетке) можно приложить силу, равную нескольким наноньютонам, и которая не повредит "крошке", а, наоборот, аккуратно передвинет ее.

Принцип оптического пинцета использовался при разработке нового сверхчувствительного микрофона. Его создатели, немецкие физики, которыми руководил Йохан Фельдманн, в шутку назвали данный прибор наноухом. В самом начале работы над устройством нужно было найти способ уловить микроскопические звуковые колебания и измерить их. Фельдманн и его коллеги решили, что на роль такого "уловителя" прекрасно подойдут взвешенные в воде частицы золота диаметром 60 нанометров.

Итак, исследователи поместили такие частицы в воду, предварительно зафиксировав каждую из них с помощью "оптического пинцета". А по соседству с каждой из них в воду добавили массив аналогичных наночастиц, которые заставляли колебаться с помощью лазерного луча.

После этого ученые приступили к измерениям и выяснили — зафиксированная частица вполне способна улавливать колебания своих соседей. И когда это происходит, она сама начинает вибрировать. Данную вибрацию уже вполне можно измерить. Кроме того, подключив наноухо к специальному усилителю, удается услышать звук, доступный для восприятия органами слуха человека. И не только услышать, но и определить направление, в котором он двигался.

Итак,получается,чтомикрофон, состоящий из однойнаночастицы золота, удерживаемой лазерным лучом, действительно позволяет фиксировать акустические колебания, которые в миллионы раз слабее всех доступных нашему слуху. И благодаря ему мы теперь можем не только подглядывать за жизнью микроорганизмов, но и подслушивать их "разговоры". Можно представить, как подобная разработка обрадует микробиологов и цитологов — наконец-то они смогут услышать, как и о чем "переговариваются" клетки.

Но в то же время наноухо будет полезно и для врачей. Уже давно было высказано предположение, что клеточные процессы, идущие нормально, звучат вполне определенным образом. А любая аномалия, соответственно, рождает изменение в звуке. И теперь врач, исследующий, например, непонятную опухоль, сможет понять, что перед ним — обычное или злокачественное образование, только по тому, как эти клетки "поют". Кроме того, по особенностям звука легко можно понять, заражена ли клетка каким-либо вирусом, и если да, то каким именно (что, в свою очередь, позволит поставить более точный диагноз).

Интересно, что разработка доктора Фельдманна и его коллег — далеко не первый случай использования наночастиц золота в акустике. Чуть раньше совместная группа французских и финских нейробиологов заявила, что ей удалось создать технологию, способную восстанавливать слух у людей, его потерявших.

Напомню, что слуховые рецепторы, находящиеся в такой части нашего внутреннего уха, как улитка (ее так называют потому, что она действительно похожа на моллюска), представляют собой клетки с чувствительными волосками. Эти волоски воспринимают звуковые колебания из вязкой жидкости, которой заполнены внутренние каналы улитки. После того, как волосок начал вибрировать, клетка возбуждается и передает это возбуждение отростку нервной клетки, расположенной неподалеку. А та, в свою очередь, отправляет информацию по цепочке в мозг.

Исследователи выяснили, что в 90 процентах случаев слух теряется в результате утраты клетками этих чувствительных волосков (причины подобного могут быть различными, но результат, к сожалению, один). И вот нейробиологи предложили вживлять в эти "оглохшие" рецепторы наночастицы золота, которые, как мы уже видели, очень хорошо улавливают колебания, распространяемые в жидкости, даже самые слабые. То есть, по сути дела, они предложили тот же вариант наномикрофона, что и группа Фельдманна, но с одной лишь разницей — частица будет закрепляться на мембране клетки не с помощью оптического пинцета, а посредством особых белков.

Пока еще идет первая стадия исследований — наночастицы вживляются в ушные клетки глухих мышей, после чего у животных измеряется активность нейронов, отвечающих за восприятие и обработку звуковой информации. Если эксперименты пройдут успешно, то через некоторое время можно будет приступить к испытаниям на добровольцах из рода человеческого.

Итак, как видите, из золота получаются не только хорошие зубы. Уши из него тоже можно сделать…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"