Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2014 № 04

Так выглядят под микроскопом спиральные мышцы из ванадия.

Определенные результаты в этой области уже есть. Существенного успеха в разработке технологии блокирования миостатина добились ученые Дэвид Глас и Эстель Трайфилиф из фармацевтической компании Novartis. Они разработали новое соединение BYM338, которое предотвращает атрофию мышц и способствует росту мышечной массы. Оно воздействует на рецептор миостатин/активин тип II (ActRII), который управляет ростом только скелетных мышц. Таким образом, теперь ученые могут регулировать рост мышечной массы без грубого вмешательства в другие процессы, протекающие в организме.

Пока новые технологии блокирования миостатина готовятся к клиническим испытаниям. Ученые надеются, что новая технология позволит не только наращивать мышцы по желанию и медицинским показаниям, но и предотвратить тяжелые осложнения ряда заболеваний. Ну и, конечно, новая методика наращивания мышечной ткани вполне может пригодиться при создании новых поколений биороботов.

Мы с моим другом Андреем задумались: а как можно взвесить молекулы? Ведь ученым для своих расчетов и опытов необходимо знать, сколько они весят.

Антон Квашнин, г. Тула

Ну, сделать это очень просто. Надо взять лабораторные или аптекарские весы и на одну чашку положить молекулу, а на другие — атомы, которые мы будем использовать в качестве гирек.

Конечно, это шутка. На самом деле взвешивают сверхмалые объекты вовсе не так. Устройства, которым можно доверить столь деликатную задачу, и на весы-то, в общем, совсем не похожи. Потому как нет таких гирь и пружин, которые бы могли почувствовать разницу в массе той или иной молекулы. А потому решается подобная задача следующим образом. Представьте себе картину. Девочка Маша качается на качелях. Она раскачивает качели ритмичными толчками с постоянной силой — старается, как может. В результате качели имеют постоянную амплитуду отклонений и частоту качаний.

В какой-то момент к Маше на качели подсаживается соседский мальчик Миша. Он намного тяжелее Маши, но еще и ленив. А потому не раскачивает качели, а просто сидит на них. Раскачивает одна Маша. В итоге, как вы сами понимаете, амплитуда и частота качаний существенно изменятся. Причем степень изменения будет пропорциональна массе Миши.

Именно на таком принципе основана работа кварцевых микровесов. Кварцевая пластина, установленная на дне герметичной камеры, колеблется в поперечном направлении. Колебания эти возбуждаются электродами по краям пластины, к которым прикладывается переменное напряжение (кварц — пьезоэлектрик). Параметры колебаний регистрируют специальные датчики. Если на пластину осядут молекулы, то параметры колебаний изменятся. Существуют формулы, которые позволяют пересчитать изменение частоты в изменение массы.

Сам принцип измерения массы с помощью колеблющейся системы далеко не нов. Идея использовать в качестве весов кантилевер — кварцевую пластину, закрепленную одним концом, словно доска трамплина для прыжков в воду, родилась в конце 70-х годов ХХ века, почти одновременно с созданием самого атомно-силового микроскопа. С тех пор кварцевые микровесы (в английской литературе QCM — quarts crystal microbalances) прижились, и сегодня существует множество их разновидностей. Использование относительно крупной пластины в качестве подложки дает возможность не только определять массу молекул, но и исследовать процессы их слипания, сорбции-десорбции, а также изучать свойства пленок, регистрировать изменения структуры гелей и многое другое.

Наши специалисты из фирмы НТ-МДТ разработали устройство, которое интегрировано со сканирующим зондовым микроскопом. Таким образом, исследователь имеет возможность не только зарегистрировать изменение массы на подложке, но и сразу же увидеть, чем именно это изменение вызвано.

Разновидность подобных микровесов создали недавно физики из Калифорнийского технологического института (Калтеха). Ими сконструировано первое наноустройство, способное взвешивать отдельные биомолекулы. По словам Майкла Роукеса, профессора прикладной физики и биоинженерии из Калтеха и одновременно директора недавно основанного Института нанотехнологий, возглавляемой им группе специалистов удалось создать принципиально новый измерительный наноразмерный прибор для применения в медицинских и научных исследованиях.

Устройство называется «наноэлектромеханический резонатор» и представляет собой крошечный камертон длиной порядка микрона и шириной около 100 нанометров. Если опять-таки приложить к нему переменное электрическое напряжение, он начинает колебаться со своей собственной, строго определенной частотой. Правда, услышать издаваемый им звук не удастся, поскольку частота колебаний лежит уже в микроволновой области.

Но это неважно. Главное, что исследователи собрали электросхему, которая непрерывно возбуждает и контролирует частоту вибрирующей полоски. Периодически в герметической камере, куда помещен камертон, срабатывает заслонка, и на пластинку обрушивается пучок атомов или молекул. А поскольку пластинка предварительно охлаждалась до очень низкой температуры, атомы или молекулы тут же примерзают к камертону, неизбежно понижая его частоту.

Причем изменение частоты пропорционально массе молекул. Остается их пересчитать под электронным микроскопом и узнать, сколько весит каждая молекула.

Еще одна аналогичная установка создана в Массачусетском технологическом институте (МТИ). Она позволяет взвешивать наночастицы с точностью до одного аттограмма (10–18 г).

Пару лет тому назад Скотт Маналис, сотрудник МТИ, разработал метод взвешивания отдельных живых клеток в подвешенном микроканальном резонаторе (ПМР), измеряющем массу объекта при его прохождении или протекании через узкий канал. Изначально такое устройство представляло собой микроканал в крохотном кремниевом кронштейне. Когда по каналу проходила клетка, кронштейн менял частоту своих вибраций. А поскольку он делал это в маленькой вакуумной полости, изменение частоты не так уж сложно было измерить с высокой точностью и пересчитать в доли грамма.

Экзосомы играют важную роль в организме человека. Но чтобы понять, какую именно, неплохо бы иметь точные средства взвешивания столь малых объектов…

Затем этот кронштейн еще уменьшили, доведя его длину до 22,5 мкм, а канал и вовсе имел всего 1 мкм в ширину и 0,4 мкм в глубину. Одновременно источник энергии колебаний заменили с электростатического на пьезокристаллический, имеющий большую собственную амплитуду вибраций и меньший уровень шумов. В итоге сейчас размеры измеряющей системы уменьшены в несколько раз, за счет чего погрешность измерения составляет 0,85 аттограмма, снизившись в 30 раз по сравнению с предшествующим устройством.