https://biolabmix.ru/catalog/rna-transcription-mrna/?erid=LdtCKWnpq
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Наночастицы для окраски биомолекул и QLED-дисплеев — за что вручили Нобелевскую премию по химии (2023)

Наночастицы для окраски биомолекул и QLED-дисплеев — за что вручили Нобелевскую премию по химии (2023)

  • 505
  • 0,3
  • 0
  • 2
Добавить в избранное print
Новость

Мунджи Бауэнди (слева), Луис Брюс и Алексей Екимов (справа) — лауреаты Нобелевской премии по химии 2023 года. Их открытие помогает окрашивать биологические клетки и производить яркие диспеи.

Рисунок в полном размере.

Нобелевский комитет вручил премию по химии за создание уникальных наночастиц — квантовых точек. В отличие от других материалов, их электрические, оптические и иные физические свойства меняются при увеличении размеров частиц. Для сравнения, вода в кристаллике льда любого размера не меняет цвет и температуру плавления. Это открытие важно с разных сторон. Оно фундаментально изменило химию, потому что ввело в использование новый класс материалов. Эти частицы расширили возможности для развития технологий, к примеру, цветных экранов QLED. Наконец, квантовые точки помогают биологам окрашивать нужные молекулы в живых клетках, а хирургам — находить опухоль во время операций.

В статье мы сначала разберем особенности квантовых точек, а затем обсудим их применение в биологии и медицине.

Квантовые точки (КТ) — это нанокристаллы, внутри которых в строгом порядке уложены всего от ~100 до ~10 тыс. атомов (рис. 1А) [1]. Размеры КТ в несколько нанометров соизмеримы с шириной волн элементарных частиц, например, электронов и фотонов (рис. 1Б). Из-за этого КТ меняют свойства частиц (например, длину волны) на квантовом уровне иначе, чем другие материалы. Разберем это на примере флуоресценции.

Для начала, КТ — это флуорофоры, то есть они способны поглощать энергию фотонов света и излучать их с потерей в энергии. Это свойство не уникально и используется в биологии. Например, белок GFP поглощает ультрафиолетовое излучение и испускает свет зеленого спектра. Квантовая точка из 300 атомов кадмия и селена может так же. Однако этот же материал при увеличении размера частицы работает иначе. Несколько дополнительных слоев, и КТ из 6000 атомов CdSe уже излучает красный свет в ответ на этот же ультрафиолет (рис. 1Б, 1В). Поигравшись с размером КТ, можно подтвердить прямую зависимость цвета флуоресценции от размера нанокристалла. Ясно, что белок GFP не изменит цвета флуоресценции, если взять его в 20 раз больше.

Объясняется это тем, что молекулы белка от количества не изменяются. И чтобы получить флуоресценцию нового цвета, мы будем использовать другую молекулу. В случае с КТ сам материал менять не обязательно, нужно просто увеличивать или уменьшать размер нанокристалла (рис. 1В). В этом особенность КТ: точки с разными свойствами синтезируются из одного и того же материала. А чем больше нанокристалл, тем больше энергии света он поглощает, и, соответственно, тем более красный (длинноволновый) свет испускает.

Строение квантовой точки на примере CdSe

Рисунок 1А. Строение квантовой точки на примере CdSe. Слева: изображение трансмиссионного электронного микроскопа. Справа: структура нанокристалла на атомном уровне.

[1]

Сравнение размеров квантовых точек с шириной волны электрона

Рисунок 1Б. Сравнение размеров квантовых точек с шириной волны электрона. Чем меньше частица, тем ближе она к размерам этой волны.

Цвет флуоресценции КТ зависит от размера частиц

Рисунок 1В. Цвет флуоресценции КТ зависит от размера частиц. Так, чем больше КТ, там длиннее волна испускаемого ею свечения. Поэтому в видимом спектре маленькие КТ будут испускать синее свечение, а большие — красное.

Размер КТ определяет не только оптические, но и другие физические свойства. Так, меняется их электрическая проводимость и магнитные свойства, точка плавления материала — и даже воздействие на химические реакции. Влияние размера КТ на элементарные частицы объясняется эффектом квантового ограничения, подробнее об этом — во врезке.

Написать «увеличить размер» просто, но на разработку идеи квантовых точек ушли десятки лет. Размышления о теоретической возможности создать материал с такими свойствами появились еще в 1920-ых. Но в жизнь их воплотили нынешние нобелевские лауреаты, вступившие в игру спустя полвека.

Достижения лауреатов

Алексей Екимов в 1980-х годах работал в Ленинграде над окраской стекла. В ходе работы ученый соединил медь и хлор в нанокристаллы и внедрил их в стекло. Тогда он скромно назвал их «микрокристаллами», чтобы статья прошла цензоров, не веривших в реальность такого материала; название «квантовые точки» будет присвоено позже.

Ученый точно контролировал условия синтеза и благодаря этому получил КТ разного размера. Сравнив образцы стекла, содержащие кристаллы разных размеров, он выяснил, что их цвет также различался. Тогда Алексей вместе с соавтором Александром Эфросом сделал верное предположение — связал это с квантовыми эффектами КТ, внедренных в состав стекла [3].

Спектр поглощенного света снижается при увеличении среднего размера нанокристаллов CuCl

Рисунок 2. Спектр поглощенного света снижается при увеличении среднего размера нанокристаллов CuCl: графики из статей А. Екимова 1981 и 1985 гг.

Как Монджи Бауэнди синтезировал частицы по этапам

Рисунок 3. Как Монджи Бауэнди синтезировал частицы по этапам. Он запускал рост кристаллов, добавляя в подготовленный и разогретый раствор (сверху) субстрат, благодаря чему рост КТ запускался единовременно (посередине). Процесс роста нанокристаллов контролировался температурой: при ее понижении рост останавливался (внизу). Это, вкупе с раствором, который защищал поверхность частицы, помогло отладить качество синтеза.

Луис Брюс в это же время столкнулся с КТ в поисках катализаторов химических реакций, которые запускаются солнечным светом. Он вместе с коллегами синтезировал нанокристаллы сульфида кадмия (CdS), чтобы с его помощью управлять расщеплением воды на водород и кислород — и получить потенциальное топливо. Сравнив кристаллы размером 4,5 нм с кристаллами в 12,5 нм, они обнаружили, что мелкие кристаллы поглощают свет, смещенный в синюю часть спектра относительно крупных КТ. Объяснили это также квантовыми эффектами.

Монджи Бауэнди спустя десятилетие разработал метод синтеза квантовых точек, который оказался достаточно качественным и дешевым для промышленного производства. Он контролировал количество слоев атомов в частице с помощью температуры и растворителя; его подход описан на рис. 3.

Как используют квантовые точки

Квантовые точки применяют в различных сферах:

  • Биологические исследования. КТ помогают точно визуализировать внутренние структуры клеток и живых организмов и процессы, протекающие внутри них. Этому мы посвятили следующую часть статьи.
  • Производство дисплеев для телевизоров по технологии QLED. Они отличаются тонкостью, яркостью и точностью цветопередачи. К примеру, эту технологию активно использует компания Samsung. В последнее время КТ используют для изготовления гибких дисплеев.
  • Производство солнечных батарей. КТ могут переводить энергию солнечного света в химические реакции. Среди прочего, КТ способны помочь с разработкой т.н. солнечного топлива.
  • Усовершенствование LED-ламп. КТ в их составе преобразуют синий LED-свет в спектр цветов, приятных человеческому глазу.

Самые мощные фонарики: использование частиц в биологии и медицине

Квантовые точки нашли яркое применение в окраске живых клеток и тканей. Точнее, для окраски их элементов, интересных исследователю. Для этого КТ модифицируют, сначала покрывая защитной и гидрофильной оболочками для естественного перемещения внутри крови. Затем к КТ пришивают биологические молекулы, которые наделяют их определенными свойствами внутри организма (рис. 4). Так, можно соединить КТ с белком, который активно усваивается раковой опухолью. Тогда с помощью флуоресцентной микроскопии мы сможем наблюдать свечение заданного цвета в области опухоли. Это помогает исследователям уточнять границы образования и его размеры.

О работе разных видов микроскопии рассказано в статье «12 методов в картинках: микроскопия» [4].

Состав КТ для биологических исследований

Рисунок 4. Состав КТ для биологических исследований. Ядро (серое) — КТ из атомов кадмия и селена, работает флуоресцентом. Слой снаружи от ядра (красный) — решетка из сульфида цинка, которая делает флуоресценцию ярче. Внутренний слой оболочки (фиолетовый) — сеть из полимеров, которая стабилизирует структуру. Наружный слой (желтый) — гидрофильные соединения, которые прячут гидрофобную природу КТ и позволяют перемещаться в крови. Снаружи пришиты биомолекулы (зеленые); они распознаются специфичными рецепторами внутри организма и, к примеру, остаются на поверхности целевых клеток или поглощаются ими. Все части структуры работают так, чтобы КТ воспринималась организмом естественно, «маскировала» свою природу, а в итоге — достигла биологической мишени и подсветила ее.

[5]

Пока что применение КТ для визуализации биологических объектов и процессов распространено только в экспериментальных условиях. Так, пришивая частицы к белкам, доставляющим лекарство к опухоли, удобно следить за их перемещениями (рис. 5А) [5]. Или можно получить четкое изображение разных частей цитоскелета или транспортных белков разными цветами внутри клетки и наблюдать, как они перестраиваются при изменении условий (рис. 5Б) [6]. Для этого достаточно «нацелить» КТ разных размеров на различные белки.

Пример КТ для отслеживания перемещения лекарства по организму

Рисунок 5А. Пример КТ для отслеживания перемещения лекарства по организму. Препарат (желтый) заключен в защитную оболочку (оранжевая). Анти-HER2 (зеленый) — пептид, который будет распознан и задержан рецептором HER2 опухолевых клеток. Квантовая точка (фиолетовая) — «маячок» для проверки того, достигло ли лекарство своей цели.

[5]

Окраска белков внутри клетки при помощи КТ

Рисунок 5Б. Окраска белков внутри клетки при помощи КТ. Белок декстрин (красный) клетка распознала как чужой, захватила внутрь и переваривает в лизосомах. Квантовые точки (зеленые), проникшие в клетку, остались безнаказанными и могут связываться с любыми мишенями. Эти изображения доказывают, что КТ проникают в живую клетку эффективно.

Сверху: стандартный снимок.
Снизу: снимок с выдержкой для фиксации трека перемещений белков.
Масштаб: 5 мкм.

[6]

Несмотря на потенциал КТ для визуализации биологических процессов, медики опасаются применять их на пациентах. Дело в том, что токсичность КТ считается недостаточно изученной. Так что синтез КТ без тяжелых металлов в составе — важный тренд в этом направлении [7], [8]. Перспективы использования квантовых точек мы обсуждаем во следующей врезке.

Итак, Нобелевскую премию по химии вручили за претворение в реальность идеи квантовых точек. Это напоминает о том, что в науке ценно создавать то, что работает. Так, Монджи Бауэнди получил награду за обновление синтеза КТ, которое не изменило науку фундаментально, но сделало ее достижения доступными для производства.

На основе пресс-релиза Нобелевского комитета.

Литература

  1. Alexander L. Efros, Louis E. Brus. (2021). Nanocrystal Quantum Dots: From Discovery to Modern Development. ACS Nano. 15, 6192-6210;
  2. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии;
  3. A.I. Ekimov, Al.L. Efros, A.A. Onushchenko. (1985). Quantum size effect in semiconductor microcrystals. Solid State Communications. 56, 921-924;
  4. 12 методов в картинках: микроскопия;
  5. Richard J. Byers, Elizabeth R. Hitchman. (2011). Quantum Dots Brighten Biological Imaging. Progress in Histochemistry and Cytochemistry. 45, 201-237;
  6. Emmanuel Derivery, Eline Bartolami, Stefan Matile, Marcos Gonzalez-Gaitan. (2017). Efficient Delivery of Quantum Dots into the Cytosol of Cells Using Cell-Penetrating Poly(disulfide)s. J. Am. Chem. Soc.. 139, 10172-10175;
  7. Na Liu, Meng Tang. (2020). Toxicity of different types of quantum dots to mammalian cells in vitro: An update review. Journal of Hazardous Materials. 399, 122606;
  8. Bina Gidwani, Varsha Sahu, Shiv Shankar Shukla, Ravindra Pandey, Veenu Joshi, et. al.. (2021). Quantum dots: Prospectives, toxicity, advances and applications. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 61, 102308;
  9. A. Paul Alivisatos, Weiwei Gu, Carolyn Larabell. (2005). Quantum Dots as Cellular Probes. Annu. Rev. Biomed. Eng.. 7, 55-76;
  10. Shuming Nie, Steven R. Emory. (1997). Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering. Science. 275, 1102-1106.

Комментарии