Ученые из Университета Миссури совершили прорыв, используя неожиданный набор инструментов: замороженный этанол, электронные лучи и фиолетовые микробы.

Они усовершенствовали метод, называемый ледяной литографией, и теперь могут наносить микроскопические узоры прямо на поверхность биологических материалов. Обычная литография — это технология, с помощью которой создают микросхемы для телефонов и компьютеров. Но она работает с жидкостями, которые могут разрушить хрупкие структуры вроде углеродных нанотрубок или клеточных мембран.

Результаты опубликованы в издании Nano Letters.

Метод ученых из Миссури мягче и точнее. Вместо жидкости они используют слой замороженного этанола — он защищает материал, пока на нем вытравливают узор.

Наш способ не повреждает биологические образцы, — объясняет Гэвин Кинг, профессор физики и соавтор исследования. — Ледяная пленка стабилизирует поверхность, и мы можем работать даже с самыми хрупкими структурами.

В мире всего три лаборатории, где применяют ледяную литографию, и одна из них — в Миссури. Их ключевое отличие — использование этанолового льда. Обычный водяной лед мог бы повредить биоматериалы, а этаноловый — нет.

Для испытаний взяли Halobacterium salinarum — микроорганизм, который производит фиолетовый белок, превращающий свет в энергию. Это природный аналог солнечной панели. С 1970-х годов его изучают как перспективную основу для новых источников энергии.

Как это работает:

1. Биологическую мембрану помещают в электронный микроскоп и охлаждают ниже -150°C.
2. Затем вводят пары этанола — они мгновенно замерзают, образуя тонкий защитный слой.
3. Электронный луч выжигает узоры в этом слое.
4. После нагрева незатронутые участки льда испаряются, а рисунок остается.

Мы создаем узоры шириной меньше 100 нанометров — это в тысячу раз тоньше человеческого волоса, — говорит Дилэн Чиаро, аспирант и ведущий автор работы. — Теперь мы можем работать с самыми хрупкими биологическими структурами.

Исследование объединило физику, химию и биологию. Сучи Гуха, профессор физики, выяснила, что полученный материал ведет себя как углеродное волокно. Бернадетт Бродерик, химик, обнаружила, что при облучении образуется кетен — короткоживущее вещество, которое помогает этаноловому льду превращаться в твердый материал.

Каждая лаборатория внесла свой кусочек в общую картину, — говорит Кинг. — Без междисциплинарной работы открытие было бы невозможным.

Этот метод открывает двери для:

• Бионики — можно интегрировать живые структуры в электронику.
• Медицины — точное нанесение лекарств или сенсоров на клетки.
• Энергетики — создание биосолнечных панелей на основе светочувствительных белков.

Главное преимущество — минимальное вмешательство. Раньше подобные манипуляции разрушали клетки, теперь их можно модифицировать без повреждений.

Пока метод работает только в экстремально холодных условиях. Для массового применения нужно адаптировать его к комнатной температуре — а это сложная инженерная задача.

Ранее ученые получили изображение живой клетки с помощью рентгентовского дифракционного микроскопа. Клетку при этом не повредили.