Lapsed, muruniidukid, lennukid, rongid, autod - peaaegu kõik teeb müra. Ja kui kahel California teadlasel on õigus, siis tehke ka elusrakud. Viimastes nanotehnoloogia eesliiniteadust kasutades tehtud eksperimentides on teadlased leidnud tõendeid selle kohta, et pärmirakud eraldavad üht tüüpi kisa, imetajate rakud aga teist. Uuringud, ehkki need on alles esialgsed, on potentsiaalselt "revolutsioonilised", nagu üks teadlane väidab, ja võimaliku, ilmselt kaugeleulatuva meditsiinilise rakendusega juba tegeletakse: ühel päeval mõtlemine käib, kuulates helisid, mida teie rakud võivad öelda arstiga enne sümptomite ilmnemist, kas olete tervislik või olete haige.
Seotud sisu
- Kas nanotehnoloogia võib elusid päästa?
Rakkude helide ehk sonotsütoloogia uurimise asutaja, nagu ta seda nimetab, on Jim Gimzewski, 52-aastane UCLA keemik, kes on teinud oma panuse kunstimuuseumi molekulide struktuuri käsitlevas väljapanekus. Rakkude helide idee tuli temani 2001. aastal pärast seda, kui meditsiiniuurija ütles talle, et kui elusad südamerakud pannakse sobivate toitainetega Petri tassi, jätkavad rakud pulseerimist. Gimzewski hakkas mõtlema, kas kõik rakud võivad võita ja kui jah, kas sellised pisikesed vibratsioonid tekitavad tuvastatava heli. Lõppude lõpuks, nagu ta mõtles, on heli lihtsalt molekulidele suruva jõu tagajärg, luues rõhulaine, mis levib ja registreerub, kui see lööb kuulmekile. Ta põhjendas ka seda, et kuigi lahtri tekitatav müra pole kuuldav, võib selle tuvastada eriti tundlik instrument.
Gimzewski sobib hästi selle küsimuse lahendamiseks, olles nii mõõteriistade ekspert - ta on ise oma mikroskoobid ehitanud - kui ka mugavalt kodus lõpmatus maailmas. Nanotehnoloogia ehk üksikute aatomite ja molekulide manipuleerimise teaduse juht mikroskoopiliste masinate ehitamiseks töötas Gimzewski varem Šveitsi Zürichis asuvas IBMi uurimislaboris, kus ta koos kolleegidega ehitas ketrusmolekulaarse propelleri 1, 5 nanomeetrit ehk 0, 0000015 millimeetrit läbimõõduga. Nad ehitasid ka maailma väikseima abaki, mille helmestena olid üksikud molekulid, mille läbimõõt oli väiksem kui üks nanomeeter. Kui mitte midagi muud, näitasid märkimisväärset tunnustust kogunud jõudumängud, et nanotehnoloogia paljulubatud lubadustel oli tegelikkuses alus.
Esimeseks sonotsütoloogiasse sattumiseks hankis Gimzewski pärmirakud UCLA biokeemia kolleegidelt. (Ta "sai välja, " meenutab ta, kui ta selgitas, miks ta rakke tahtis.) Töötades kraadiõppuri Andrew Pellingiga, töötas Gimzewski välja meetodi rakkude müra testimiseks nanotehnoloogia tööriistaga, mida nimetatakse aatomjõumikroskoobiks (AFM). Tavaliselt loob AFM raku visuaalse pildi, lastes läbi selle väga pisikese sondi, iseenesest nii väikese, selle ots on mikroskoopiline, üle raku pinna, mõõtes selle välismembraani kõiki muhke ja õõnesid. Arvuti teisendab andmed pildiks. Kuid UCLA teadlased hoidsid AFM-i pisikest sondit fikseeritud asendis, toetades seda kergelt rakumembraani pinnale "nagu salvestusnõel", ütles Pelling, et tuvastada heli tekitavaid vibratsioone.
Paar leidis, et rakusein tõuseb ja kukub kolm nanomeetrit (üksteise peale virnastatud umbes 15 süsinikuaatomit) ja vibreerib keskmiselt 1000 korda sekundis. Raku seina vaheline kaugus määrab helilaine amplituudi või helitugevuse ning üles-alla liikumise kiirus on selle sagedus või samm. Ehkki pärmirakkude heli oli kuulmiseks liiga madal, oli Gimzewski sõnul teoreetiliselt selle sagedus inimese kuulmisvahemikus. "Nii et kõik, mida me teeme, on helitugevuse suurendamine, " lisab ta.
Gimzewski (hoides oma UCLA laboris süsiniku molekuli mudelit) kasutab aatomjõu mikroskoopi elusate rakkude "kuulamiseks". (Debra DiPaolo) Teadlaste testitud pärmirakkude sagedus on alati olnud ühes ja samas suures vahemikus, "umbes C-terav kuni D keskmisest kõrgem kui C, " ütleb Pelling. Alkoholi piserdamine pärmirakkudele selle hävitamiseks tõstab helikõrgust, samal ajal kui surnud rakud annavad madala, koliseva heli, mis Gimzewski sõnul on tõenäoliselt juhuslike aatomi liikumiste tulemus. Paar leidis ka, et geneetiliste mutatsioonidega pärmirakud annavad pisut erinevat kõla kui tavalised pärmirakud; see ülevaade on julgustanud lootust, et seda meetodit võib lõpuks rakendada selliste haiguste diagnoosimisel nagu vähk, mis arvatakse pärinevat muutustest rakkude geneetilises struktuuris. Teadlased on hakanud katsetama erinevaid imetajarakke, sealhulgas luurakke, mille helikõrgus on madalam kui pärmirakkudel. Teadlased ei tea, miks.
Vähesed teadlased on teadlikud Gimzewski ja Pellingi sonotsütoloogia tööst, mida teaduskirjanduses pole avaldatud ja mida on uuritud. (Teadlased on esitanud oma järeldused avaldamiseks eelretsenseeritud ajakirjas.) Suusõnaliselt on tekkinud skeptitsism ja imetlus. Uurimistöödega tuttav teadlane, Saksamaa Müncheni LudwigMaksimilianiülikooli rakendusfüüsika õppetooli juhataja Hermann Gaub ütleb, et Gimzewski arvates raku vibratsiooni tekitatavatel helidel võivad olla ka muud päritolu. "Kui selle vibratsiooni allikas leitakse raku sees, oleks see revolutsiooniline, tähelepanuväärne ja uskumatult oluline, " ütleb Gaub. "Lahtrist väljaspool on aga palju potentsiaalseid [helilisi] allikaid, mis tuleb välistada." Pelling nõustub ja väidab, et tema ja Gimzewski teevad katseid, et välistada võimalus, et rakke suplevas vedelikus või isegi mikroskoobi enda otsas tekitavad muud molekulid vibratsiooni, mida nende sond kiirendab.
Kalifornias Santa Barbaras asuva California ülikooli neuroteadlane ja biofüüsik Ratnesh Lal, kes on uurinud tassis elus hoitud südamerakkude pulsatsioone, ütleb, et rakud tekitavad heli võib olla võtmeks Gimzewski nanotehnoloogiaalase asjatundlikkusega. "Suurim lootus on seda kasutada diagnostikas ja ennetuses, " ütleb Lal ja lisab: "Kui maailmas on keegi, kes suudab seda teha, siis ta saab seda teha."
Gimzewski tunnistab, et vaja on veel palju tööd teha. Vahepeal on tähelepanekud köitnud tema UCLA kolleegi Michael Teitelli - patoloogi - spetsialiseerunud lümfotsüütide - teatud tüüpi valgevereliblede vähile - vähki. Ta allutab inimese ja hiire lihas- ja luurakke ravimitele ja kemikaalidele, et kutsuda esile geneetilisi ja füüsilisi muutusi; Seejärel proovib Gimzewski muudetud rakke "kuulata" ja neid helide järgi eristada.
Teitell ütleb, et mõte vähktõve avastamisest selle kõige varasemas rakufaasis on põnev, kuid kas see tehnoloogia töötab diagnostikavahendina, jääb alles näha (või kuulda). Ta ei soovi ideed üle müüa: "Võib selguda, et kõik need signaalid on selline äpardus, et me ei suuda üksteist selgelt tuvastada."
Gimzewski loodab, et teos saab praktilist rakendust, kuid jahist on teda põnevil nii palju kui saaki. "Ükskõik, mis tulemus see on, " ütleb ta. "Mind ajab peamiselt uudishimu ja elevus rakulise liikumise fenomeni järele - see, mis inspireeris loodust sellist mehhanismi looma ja mõistma sügavuti, mida need kaunid helid tähendavad." Ainuüksi võimalus, et ta on avastanud rakkudele uue omaduse koos kõigi tekkivate intrigeerivate küsimustega, on tema sõnul "juba enam kui piisav kingitus".
