پژوهشگران ژاپنی از توسعه نانوسنسورهای کوانتومی زیستسازگار خبر دادند که میتوانند دما و وضعیت شیمیایی سلولهای زنده را با دقتی بیسابقه اندازهگیری کنند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این فناوری جدید توسط تیمی از مؤسسه ملی علم و فناوری کوانتومی، دانشگاه توکیو و دانشگاه کیوشو توسعه یافته است و امکان مشاهده جزئیات درون سلول را در سطحی فراهم میکند که پیشتر دستیافتنی نبود. پژوهشگران اعلام کردند که این نانوسنسورها قادر هستند دمای مطلق را در مقیاس زیرسلولی اندازهگیری کنند و سیگنالهای مرتبط با رادیکالهای شیمیایی را هم در سیتوپلاسم و هم در هسته سلولهای زنده شناسایی کنند.
یکی از چالشهای اصلی در این حوزه، محدودیت دقت حسگرهای کوانتومی پیشین بوده است. تا پیش از این، دانشمندان از حسگرهایی مانند نانوالماسها استفاده میکردند که به نقصهای تصادفی در ساختار بلوری وابسته بودند. این ویژگی باعث میشد که هر حسگر رفتار متفاوتی داشته باشد و در نتیجه، دادهها با نویز بالا و ناهماهنگی همراه شوند. همچنین این حسگرها از نظر زیستسازگاری، عملکرد مطلوبی نداشتند و استفاده از آنها در محیطهای زنده با محدودیتهایی روبهرو بود.
پژوهشگران برای رفع این مشکلات، نانوسنسورهای کوانتومی مولکولی را طراحی کردند که بر پایه کیوبیتهای اسپینی مولکول پنتاسن عمل میکنند. این کیوبیتها درون نانوکریستالهای آلی محافظت شدهاند و ساختاری کاملاً یکنواخت دارند. این یکنواختی در سطح مولکولی باعث میشود که تمام حسگرها عملکرد یکسانی داشته باشند و اندازهگیری دما بدون خطاهای ناشی از تفاوتهای ساختاری انجام شود.
همچنین این نانوسنسورها با یک لایه سورفکتانت ویژه پوشانده شدهاند تا ایمنی آنها در محیطهای زیستی تضمین شود. نتایج آزمایشها نشان میدهد که این حسگرها میتوانند بدون آسیب رساندن به غشای سلولی، متابولیسم یا چرخه رشد طبیعی سلولها وارد آنها شوند و به صورت پایدار در شرایط فیزیولوژیک عمل کنند. این ویژگی، آنها را به گزینهای مناسب برای کاربردهای پزشکی و زیستی تبدیل میکند.
آزمایشهای انجامشده نشان داد که این نانوسنسورها میتوانند عملکرد کوانتومی خود را درون سلول حفظ کنند و اندازهگیریهای پیشرفتهای مانند اسپین-اکو و ریلکسومتری را انجام دهند. پژوهشگران با استفاده از نسخه اصلاحشدهای از پنتاسن، موفق شدند اندازهگیریهای دمایی بسیار دقیقی انجام دهند که نشان میدهد دمای داخل سلولها از محیط اطراف آنها بالاتر است.
یکی از مهمترین دستاوردهای این پژوهش، نقشهبرداری دقیق از هسته سلول است. این تیم تحقیقاتی توانست نقاط داغ و تغییرات دمایی را در بخشهای مختلف هسته شناسایی کند. این یافته نشان میدهد که دمای درون هسته یکنواخت نیست و بخشهای مختلف آن میتوانند دماهای متفاوتی داشته باشند. چنین کشفی میتواند درک دانشمندان از نحوه رفتار DNA و تأثیر دما بر واکنشهای زیستی را تغییر دهد.
این نانوسنسورهای کوانتومی تنها به اندازهگیری دما محدود نمیشوند. آنها قادر هستند وضعیت شیمیایی سلول را نیز پایش کنند و سیگنالهای مرتبط با رادیکالهای آزاد را شناسایی نمایند. رادیکالها مولکولهای بسیار واکنشپذیری هستند، که نقش مهمی در فرایندهای زیستی دارند و میتوانند نشاندهنده استرس یا آسیب در سلول باشند.
همچنین پژوهشگران نشان دادند که این حسگرها میتوانند استرس اکسیداتیو را با بررسی تغییرات در رفتار اسپین در بخشهای مختلف سلول اندازهگیری کنند. این قابلیت، این نانوسنسورها را به ابزاری چندمنظوره تبدیل میکند که میتواند اطلاعات دقیقی از سلامت و شرایط درونی سلول ارائه دهد.
به گفته سرپرست تیم تحقیقاتی، این فناوری مسیر جدیدی را برای اندازهگیری کمی و دقیق محیط درون سلولی باز میکند. او تأکید کرد که این نانوسنسورها میتوانند به صورت مستقیم در سلولهای زنده عمل کنند و در عین حال دقت مورد نیاز را برای اندازهگیریهای مطلق حفظ نمایند.
این فناوری علاوه بر دقت بالا، قابلیت شخصیسازی نیز دارد و میتواند برای کاربردهای مختلف تنظیم شود. پژوهشگران معتقد هستند که این دستاورد میتواند زمینهساز توسعه ابزارهای تشخیصی پیشرفته و روشهای نوین درمانی شود.
در نهایت، این پیشرفت میتواند تحولی اساسی در پزشکی ایجاد کند و امکان بررسی دقیق فرایندهای درون سلولی را فراهم آورد. چنین قابلیتی به پزشکان و دانشمندان اجازه میدهد که بیماریها را در مراحل اولیه شناسایی کنند و درمانهای هدفمندتری ارائه دهند.
