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

В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ

Образовательное пространство Технологическое м...

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

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...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов

Новости компаний, релизы

Московский вуз готовит профессионалов для защиты учебных заведений
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Московский Политех и ведущие российские компании запускают 79 практико-ориентированных образовательных программ
Студенты Университета МИСИС выиграли 2.8 млн рублей в хакатоне «Лидеры цифровой трансформации»
U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред