Ученые разработали безопасный оптический пинцет для манипуляции микрообъектами

Оптические пинцеты манипулируют крошечными объектами, такими как клетки и наночастицы, с помощью лазеров. Хотя они могут показаться тракторными лучами из научной фантастики, на самом деле их разработка принесла ученым Нобелевскую премию в 2018 году. 

Теперь ученые с помощью суперкомпьютеров сделали оптический пинцет более безопасным для использования на живых клетках и применяют его для лечения рака, мониторинга окружающей среды и т.д.

Мы считаем, что наше исследование еще на один значительный шаг приближает промышленное внедрение оптических пинцетов в биологические приложения, в частности, в селективную клеточную хирургию и адресную доставку лекарств, — говорит Павана Коллипара, недавняя выпускница Техасского университета в Остине.

Коллипара является соавтором исследования оптических пинцетов, опубликованного в августе 2023 г. в журнале Nature Communications, которое он написал незадолго до получения степени доктора философии в области машиностроения под руководством соавтора исследования Юэбина Чжэна (Yuebing Zheng) из UT Austin, соответствующего автора статьи.

Оптические пинцеты захватывают и перемещают мелкие частицы, поскольку свет обладает импульсом, который может передаваться ударяемой частице. Усиленный свет в лазерах усиливает этот импульс.

Коллипара и его коллеги сделали еще один шаг вперед в использовании оптического пинцета, разработав метод охлаждения частицы, на которую направлено воздействие, с помощью теплоотвода и термоэлектрического охладителя. Их метод, получивший название гипотермического оптотермофоретического пинцета (HOTTs), позволяет с малой мощностью захватывать различные коллоиды и биологические клетки в их родных жидкостях.

Это новейшее достижение может помочь преодолеть проблемы, связанные с использованием современных лазерных пинцетов, поскольку они слишком сильно обжигают образец для биологических применений.

Основная идея этой работы проста, — сказал Коллипара.

Если образец повреждается из-за нагрева, просто охладите его, а затем нагрейте лазерным лучом. В итоге, когда мишень, например биологическая клетка, попадает в ловушку, ее температура все еще близка к температуре окружающей среды — 27-34 °C. Вы можете захватить ее в ловушку при меньшей мощности лазера и контролировать температуру, тем самым исключая фотонное или тепловое повреждение клеток.

Научная группа протестировала свой HOTT на эритроцитах человека, которые чувствительны к изменениям температуры.

При использовании обычного оптического пинцета структура клеток повреждается, и они сразу же погибают. Мы продемонстрировали, что независимо от того, в каком растворе находятся клетки, наша методика позволяет безопасно захватывать их и манипулировать ими. Это один из главных выводов исследования, — говорит Коллипара.

Другое открытие относится к области доставки лекарств. Плазмонные везикулы — крошечные биоконтейнеры, покрытые золотыми наночастицами, — были пойманы в ловушку и без предупреждения перемещены в разные места внутри раствора, что аналогично направлению лекарств к раковой опухоли. Как только они достигают раковой мишени, на них воздействует вторичный лазерный луч, который разрывает лекарственный груз.

Лазерно-индуцированная доставка лекарств важна тем, что мы можем сфокусировать и доставить лекарство на конкретную мишень. Таким образом, количество лекарств, потребляемых пациентом, значительно снижается, и можно указать, в какие места вводить лекарство, — добавил Коллипара.

Суперкомпьютерное моделирование потребовалось для расчета полномасштабных трехмерных величин сил, действующих на частицы в оптическом, термофоретическом и термоэлектрическом полях, достигаемых при определенной мощности лазера. Будучи аспирантом в UT Austin, Коллипара получил возможность работать на TACC Stampede2 — национальном стратегическом ресурсе, который совместно используют тысячи ученых, финансируемых Национальным научным фондом.

Система настолько сложна с точки зрения требований к вычислительным затратам, что наши локальные рабочие станции не могут ее поддерживать. Чтобы получить только одну точку данных, нам пришлось бы проводить моделирование в течение нескольких дней, а нам нужны тысячи. TACC помог нам в анализе и генерирует результаты на порядки быстрее, чем все остальное, что у нас есть, — сказал Коллипара.

В более широком плане, но не непосредственно для данного исследования, в исследованиях плазменных биосенсоров Коллипара также использовал систему Lonestar5 компании TACC для проведения более масштабного моделирования. Система Lonestar5, а теперь и Lonestar6 специально обслуживают ученых системы UT в рамках киберинфраструктуры исследований Техасского университета (UTRC).

Одного построения сложной модели недостаточно, — говорит Коллипара.

Необходимо убедиться в том, что она работает правильно, путем проведения экспериментов». Ноутбуков недостаточно для проведения сложных исследований и разработок. Именно здесь суперкомпьютерные ресурсы, подобные тем, что имеются в TACC, помогают ученым продвигать исследования и разработки как можно быстрее и не отставать от потребностей человечества.

01.11.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло
Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под повер...

Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак
Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся м...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса