Een kijkje in MIT.nano

Twee verdiepingen onder de grond in het nieuwste gebouw van MIT, twee postdocs biologie en een afgestudeerde student zijn verzameld rond een computerscherm met een grijze achtergrond met kleine kronkels en een paar donkere klodders. De kronkels zijn doorschijnende strengen van eiwitten. De klodders zijn minuscule opeenhopingen van ijs die ontstonden toen de wetenschappers de eiwitten flash-bevroren om geheimen te ontrafelen die hun strengen al honderden miljoenen jaren verborgen hielden.

De eiwitstrengen zijn minder dan 50 nanometer hoog en breed. Ze verschijnen op het scherm omdat ze worden onderzocht door een cryo-EM - een cryogene elektronenmicroscoop - in de volgende kamer.

Om op dit punt te komen, moet je wat geluk hebben, omdat de eiwitten tijdens het invriezen verduisterd kunnen raken of volledig verloren kunnen gaan. Onderzoekers kunnen dagen in deze kelderruimte doorbrengen zonder dat er bruikbare beelden op het scherm verschijnen.

Nu de wetenschappers het geluk hebben gehad zoveel kronkels te zien, is hun volgende truc om de weinige te spotten die de moeite waard zijn om nader te bestuderen. In levende cellen vormen deze eiwitstrengen een Y-vorm. Die Y is een cruciaal onderdeel van wat de nucleaire porie wordt genoemd, die bepaalt, op manieren die we nog steeds niet begrijpen, wat er in en uit de kern van een cel kan reizen. De eiwitten hebben echter zelden die Y-vorm op het scherm. Vlak voordat ze zijn ingekapseld in de laag ijs waardoor ze kunnen worden gescand door de cryo-EM, hebben de armen en stengel van elke Y de neiging om noodlottig te worden. De ene arm kan naar achteren gebogen zijn terwijl de andere opzij bungelt. Meerdere Y's of stukjes ervan klonteren vaak samen.

Dus vandaag is afstudeerstudent Sarah Nordeen geduldig op zoek naar een exemplaar in de vorm van een definitief schone en heldere Y.

Ik zie er een - een mooie, zegt ze. Anthony Schuller, een postdoc structureel bioloog die de computer bedient, zoomt iets dichter in op de kronkel die ze aangeeft. Met een paar muisklikken vertelt hij de cryo-EM om close-upbeelden te maken die Nordeen later kan analyseren. Als ze genoeg kan krijgen van deze mooi bewaard gebleven Y's, kan ze ze uiteindelijk combineren om een ​​3D-weergave van deze structuur te maken - wat haar en andere wetenschappers zal helpen beter te begrijpen hoe het dient als poortwachter in cellen.

Biologieprofessor Thomas Schwartz leidde de inspanningen om MIT's cryoEM's te verkrijgen, waarmee onderzoekers afbeeldingen kleiner dan 3 angstrom kunnen zien. Bob O'Connor

Dit is het leven in MIT.nano, een faciliteit die afgelopen herfst werd geopend in de schaduw van de Great Dome. Met twee cryo-EM-machines en andere apparatuur die de komende jaren worden geïnstalleerd, gaan wetenschappers in steeds meer disciplines dingen op atomaire en moleculaire schaal modelleren, bouwen en repareren.

Sommige wetenschappers zullen MIT.nano gebruiken om stevigere qubits voor kwantumcomputers te ontwikkelen. Anderen kunnen sleutelen aan de moleculaire samenstelling van anoden en kathoden, zodat ze niet rafelen, waardoor de levensduur van batterijen wordt verlengd. Weer andere groepen hopen materialen te maken die zijn geoptimaliseerd voor specifieke functies door hun moleculaire structuren aan te passen om dingen te doen zoals het effectiever geleiden van elektriciteit, het creëren van meer glanzende kleuren op computerschermen of het afgeven van gerichte medicijnen in de bloedbaan. MIT.nano zal zelfs een kunstprogramma op nanoschaal hebben. Kunstenaars kunnen materialen gebruiken die zijn gegenereerd door MIT.nano-onderzoekers, of gebruik maken van hulpmiddelen in het gebouw om nauwkeurige controle uit te oefenen over de manier waarop objecten glinsteren, voelen of ruiken.

Al deze toepassingen zijn mogelijk dankzij steeds betere technieken voor het afbeelden van materialen op atomair niveau. We maken nieuwe manieren van kijken, en dan zien we nieuwe manieren van maken, zei president L. Rafael Reif tijdens de lanceringsceremonie van MIT.nano in oktober.

Om het interdisciplinaire aspect van dit alles duidelijk te maken, zal geen enkele faculteit kantoren hebben in het MIT.nano-gebouw van 400 miljoen dollar; slechts enkele tientallen stafleden die toezicht zullen houden op de apparatuur zullen daar gevestigd zijn. De microscopen, cleanrooms en fabricagefaciliteiten zijn bedoeld voor gebruik door mensen van afdelingen over de hele campus. De speciale ruimte betekent dat nieuwe apparatuur niet in al overvolle laboratoria hoeft te worden geklemd en dat meerdere versies van kritieke machines tegelijkertijd kunnen worden gebruikt zonder gevaar voor kruisbesmetting, waardoor de onderzoekscapaciteit wordt uitgebreid. Het betekent ook dat onderzoekers toegang hebben tot geavanceerde apparatuur die te duur zou zijn om in hun eigen laboratoria te gebruiken en te onderhouden, en die niet stil zal blijven zitten als ze die niet gebruiken.

Afgestudeerde biologiestudent Sarah Nordeen bracht een klein monster van het kernporie Y-complex van gist aan op een ondersteuningsrooster van drie millimeter en bevroor de eiwitten in een laag glasachtig ijs voor cryo-EM-analyse. Bob O'Connor

Kijken naar eiwitten

Maanden na de opening was het grootste deel van MIT.nano leeg. De faciliteit - Gebouw 12, vlak bij de Infinite Corridor in het hart van de campus - was niettemin indrukwekkend, een slanke structuur van glas en staal die uitkijkt op een loopbrug met bamboe- en berkenbomen. (Het heet de Improbability Walk ter ere van wijlen instituutsprofessor en nanopionier Mildred Dresselhaus, die haar eigen carrière ooit als onwaarschijnlijk beschreef, gezien haar bescheiden begin.) Maar als je naar binnen keek, zag je schone kamers en labruimte wachten op worden gebruikt. Het kost tijd om enkele van de meest geavanceerde tools van MIT voor het observeren en bouwen van dingen op nanoschaal uit gebouw 39, de thuisbasis van de Microsystems Technology Laboratories, over te brengen en om nieuwere apparatuur te identificeren en geld in te zamelen voor nieuwere apparatuur die het waard is om in te investeren.

Enkele MIT-mijlpalen in nanotechnologie

• 1959

  In There's Plenty of Room at the Bottom, een lezing bij Caltech, kijkt Richard Feynman '39 tientallen jaren vooruit naar de dag waarop wetenschappers de atomen kunnen rangschikken zoals wij dat willen en nuttige machines kunnen maken op nanoschaal.

• 1960

  MIT's Semiconductor Electronics Education Committee wordt gevormd.

• 1968

  Microlab wordt geopend in gebouw 13.

• 1972

  Henry Smith en D.L. Spears stelt voor om röntgenlithografie te gebruiken om siliciumcircuits met nanoschaalkenmerken te fabriceren.

• 1984

  MTL (Microsystems Technology Labs) wordt geopend in gebouw 39.

• 1992

  Mildred Dresselhaus en collega's voorspellen dat men halfgeleidende of metalen koolstofnanotubuli zou kunnen maken door hun geometrie enigszins te veranderen. Ze begint ook manieren te onderzoeken om het thermo-elektrische effect op nanoschaal te benutten, waarmee ze een nieuw veld lanceert.

• 1993

  De groep van Moungi Bawendi bedenkt een manier om nanokristallen of kwantumdots te synthetiseren.

• 1994

  Robert Langer, ScD '74 en collega's gebruiken nanomoleculen om medicijnen effectiever en met minder bijwerkingen af ​​te geven.

• vervolg hieronder

Afgezien van de bruisende scheikundelaboratoria op de bovenste verdieping van het gebouw, was de vroege actie bij MIT.nano in de kelder. Om cryo-EM's en soortgelijke instrumenten te laten werken, heeft de kelder speciale kamers die zijn afgeschermd tegen elektromagnetische straling - je kunt geen gsm-signaal krijgen - en uitgerust met platforms die trillingen van het gebouw en de buitenwereld neutraliseren. Een cryo-EM-machine kost ongeveer $ 5 miljoen; de kamer die het huisvest is een extra drie of vier miljoen. Met twee op de campus is een welkome afwisseling. Voordat MIT.nano opende, moesten MIT-onderzoekers tijd lenen aan oudere modellen van cryo-EM's bij andere instellingen.

Wetenschappers kijken al heel lang naar dingen op deze schaal. Röntgenkristallografie bijvoorbeeld ontstond een eeuw geleden. Dat maakte het mogelijk om in 1953 de structuur van DNA te bepalen. Kernmagnetische resonantiespectroscopie, waarmee de atomaire structuur van een verbinding kan worden bepaald, en elektronenmicroscopen, die een bundel elektronen op een object afvuren en meten hoe ze zich verspreiden, werden ontwikkeld in de jaren vijftig. In de jaren tachtig kwamen scanning-tunneling microscopen, die individuele atomen in een geleidend materiaal kunnen afbeelden. STM's werken door een ultrascherpe punt net boven het monster te laten zweven en de stroom te meten van de elektronen die van de punt naar het materiaal tunnelen. Toen kwam de atoomkrachtmicroscoop, die een nog hogere resolutie heeft. Het kan atomen en moleculen voortduwen en voortbrengen, en kan ook getuige zijn van activiteit in niet-geleidende monsters, waaronder levende cellen.

Hoe indrukwekkend al die methoden ook zijn, ze zijn blind geweest voor een enorme hoeveelheid biologisch materiaal, waarvan een groot deel zich niet goed leent om te worden gekristalliseerd of gebombardeerd met grote hoeveelheden energie. Cryo-EM's, gebaseerd op doorbraken die in 2017 de Nobelprijs voor scheikunde wonnen, zijn bijzonder nuttig gebleken om de kleverige dingen in cellen tot in detail te onderzoeken.

Hoewel cryo-EM-technologie in de jaren tachtig en negentig opkwam, is het de afgelopen jaren aanzienlijk beter geworden. Dankzij verbeteringen in cameratechnologieën konden onderzoekers de resolutie vijf- of tienvoudig verbeteren: cryo-EM's kunnen nu afbeeldingen oplossen die kleiner zijn dan 3 angstrom. (Een angstrom, een tiende nanometer, is de diameter van een waterstofatoom.) En het beeld zou binnenkort veel scherper moeten worden. De theoretische grenzen van de techniek zijn nog niet bereikt, en technologieën die nu in ontwikkeling zijn, kunnen de schade beperken die de elektronenstralen in deze machines toebrengen aan de onderzochte monsters, zegt Edward Brignole, die toezicht houdt op de cryo-EM's in MIT.nano.

Door computationeel beelden van ongeveer 1 miljoen afzonderlijke eiwitten samen te voegen, hopen Sarah Nordeen en Anthony Schuller een 3D-atoomstructuur voor het complex te verkrijgen. Nordeen's voorspelde 3D-model voor het complex wordt hier getoond.

Het Y-vormige eiwit dat in MIT.nano wordt geanalyseerd, kwam ongeveer tien jaar geleden voor het eerst in beeld, dankzij kristallografie en andere technieken. Dat was een cruciale start om uit te zoeken wat het doet in de kernporie, aangezien de functie van een eiwit wordt bepaald door de structuren die van nature worden gevormd door zijn ketens van aminozuren. Maar alleen met de tools die nu beschikbaar zijn, kunnen wetenschappers zowel de Y zelf zien als de verbindingen die het maakt met andere subeenheden van de nucleaire porie.

Om een ​​idee te krijgen van hoe klein de schaal hier is, moet je bedenken dat de Y-structuur uit slechts ongeveer 100.000 atomen bestaat, volgens Thomas Schwartz, de structurele bioloog van het MIT wiens laboratorium Nordeen en Schuller omvat. Als we beter zouden begrijpen hoe het past bij de andere stukken, zouden we kunnen leren hoe de porie, laten we zeggen, boodschapper-RNA toestaat om uit de kern te komen en eiwitten om erin te komen. We zouden ook kunnen ontdekken waarom de poortwachtermethoden niet onfeilbaar zijn. . Hoe komen sommige virussen in de kern, waar ze zich vermenigvuldigen? Is er een manier om dat te stoppen?

Andere biologen die om de beurt de cryo-EM's behandelen, hebben andere vragen. Postdoc Xue Fei gebruikt het om eiwitten te bestuderen die bacteriën gebruiken om afval op te ruimen. Kacper Rogala, een postdoc bij het Whitehead Institute for Biomedical Research, dat is aangesloten bij MIT, onderzoekt afzonderlijke delen van het mTOR-pad. Dat is een signaleringsmechanisme dat de stofwisseling van cellen regelt. Het is in verband gebracht met kanker en een lang leven, en misschien zal het mogelijk zijn om medicijnen te ontwikkelen die gericht zijn op zeer specifieke interacties in dit pad in plaats van op het hele ding.

MIT's twee nieuwe cryogene elektronenmicroscopen, ook wel cryo-EM's genoemd, zijn ondergebracht in MIT.nano op platforms die omgevingstrillingen opheffen. Bob O'Connor

Van zien naar transformeren

We staan ​​nog maar aan de zeer vroege, vroege, vroege dagen van het benutten van de kansen van de nanoschaal, zegt Vladimir Bulović, de technische professor die directeur is van MIT.nano. We zitten in zijn huiselijke kantoor, met hoge kasten, planten en een houten salontafel, in gebouw 13, in de hal van een pas geopende gang die aansluit op een bovenverdieping van MIT.nano. Hij legt uit waarom de apparatuur die uiteindelijk het gebouw zal vullen, de basis zal leggen voor toepassingen die we ons nu nog niet per se kunnen voorstellen.

• 1999

  Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, publiceert Microfabrication in Tissue Engineering and Bioartificial Organs.

• 2002

  Linda Griffith en collega's creëren biologische weefselstructuren op silicium, de lever op een chip.

• 2006

  Karl K. Berggren en collega's demonstreren een nanodraadapparaat dat in staat is om een ​​enkel foton te detecteren.

• 2009

  Angela Belcher en haar team gebruiken genetisch gemodificeerde virussen om de belangrijkste componenten van een lithium-ionbatterij te bouwen.

• 2014

  Scott Manalis, Belcher en Bhatia demonstreren een apparaat dat de massa van afzonderlijke nanodeeltjes met hoge nauwkeurigheid meet.

• 2014

  Vladimir Bulovic, Marc Baldo en collega's stellen een exciton voor, een quasi-deeltje dat verantwoordelijk is voor de overdracht van energie op nanoschaal. Het exciton is essentieel voor zonnecellen, LED's en halfgeleidercircuits.

• 2018

  Paula Hammond '84, PhD '93 en collega's ontwerpen nanodeeltjes die de bloed-hersenbarrière bij muizen passeren om kankermedicijnen af ​​te leveren.

Bulović heeft baanbrekend werk verricht op het gebied van materialen zoals kwantumdots, halfgeleiderdeeltjes van nanoformaat die bruikbaar zijn in high-definition tv's, zonnecellen en biologisch onderzoek. Ze exploiteren de kwantummechanica op manieren die niet direct konden worden waargenomen voordat de scanning tunneling-microscoop in de jaren tachtig werd uitgevonden. Maar zoals Bulović aangeeft, duurde het lang voordat die specifieke doorbraak in visualisatie in producten werd gebruikt. In het begin waren we gewoon blij om atomen te zien, zegt hij. Meesterschap over de atomen kwam langzaam. In 1993 slaagden IBM-wetenschappers erin atomen in configuraties te brengen die het gedrag van elektronen manipuleerden. Maar het was pas in de jaren 2000, zegt Bulović, dat wetenschappers bedreven werden in het benutten van het observatievermogen van de STM voor het ontwerpen van specifieke materialen.

Nu verwacht hij een soortgelijk proces te zien ontvouwen in MIT.nano, waar machines die over het algemeen werden gebruikt voor zeer gespecialiseerde experimenten, kant-en-klare toolsets zullen worden voor breder gebruik.

Een van de professoren die van zien naar maken gaat, is Farnaz Niroui, SM ’13, PhD ’17, die net is toegetreden tot de technische faculteit. Ze kan precies bepalen hoe elektronen met elkaar omgaan in materialen die op nanoschaal zijn ontworpen. Dat legt de basis voor apparaten die veel energiezuiniger zijn dan wat we nu hebben. Ondertussen documenteren professor materiaalkunde en techniek Frances Ross en haar collega's precies wat er gebeurt als bepaalde soorten geleidende moleculen zichzelf organiseren in nanodraden. Als dergelijke inzichten het mogelijk maken om draden in nieuwe materialen te laten groeien, wie weet welke elektronische apparaten er dan van worden gemaakt?

Om nog een voorbeeld te geven: Bulović reikt naar een stuk plastic met zwarte rechthoeken erop. Het is een prototype van een flexibel maar ultra-efficiënt type zonnecel dat meer golflengten van licht absorbeert dan de huidige fotovoltaïsche apparaten. Om het te maken, moesten wetenschappers sleutelen aan de moleculaire eigenschappen van mineralen die bekend staan ​​​​als perovskieten, die zonne-energie kunnen oogsten. Bulović zegt dat mensen die de komende jaren langs MIT.nano lopen, naar binnen kunnen kijken en wetenschappers kunnen zien die perovskietrijke pasta's op plastic platen smeren terwijl ze proberen de technologie te perfectioneren.

MIT.nano directeur en engineering professor Vladimir Bulović. Bob O'Connor

Bulović noemt die mogelijkheid om het onderzoek naar schone energie te benadrukken dat wordt nagestreefd via de interdisciplinaire programma's van MIT, zoals GridEdge Solar, dat tot doel heeft de productie van lichtgewicht, flexibele zonnecellen op te schalen. Maar hij brengt het ook naar voren om het transparante karakter van MIT.nano op te merken. Veel van wat er binnen zal gebeuren, behalve het biologische onderzoek, zal een voortzetting zijn van het werk dat al jaren actief is in de Microsystems Technology Labs - een afdeling die Bulović, Reif en provoost Martin Schmidt elk ooit leidden. Maar hier, zegt Bulović, zullen de dingen meer open zijn.

Bulović herinnert zich dat hij enkele jaren geleden werd bezocht door een filmregisseur die zei: Weet je, Vladimir, jullie hier bij MIT, jullie zijn een soort ketel van mysterie. Er komt gewoon een beetje uit de ketel, maar we weten niet echt wat de soep is. Laat ons de soep zien! Het is in die geest, zegt Bulović, dat er overal ramen zijn.

We willen ervoor zorgen dat je naar binnen kunt kijken, zegt hij. Je zult niet precies begrijpen wat er gebeurt, maar je zult activiteit zien. Je zult mensen zien die toegewijd zijn aan hun vak, en je zult je verbazen over hoe ze het doen, X, Y of Z.

Net zo belangrijk, zegt hij, is dat de mensen in de cleanrooms en andere laboratoria naar buiten kunnen kijken. We zorgen ervoor dat je naar buiten MIT.nano kunt kijken en het glinsteren van de berken en het wiegen van de bamboe kunt zien, zegt hij. Er is een wereld buiten die ervan afhangt dat jij dingen ontwikkelt die ertoe doen.

verbergen