Uno sguardo all'interno di MIT.nano

Due piani sotterranei nell'edificio più recente del MIT, due dottorandi in biologia e uno studente laureato sono raccolti attorno al monitor di un computer che mostra uno sfondo grigio punteggiato da piccoli scarabocchi e alcune macchie scure. Gli scarabocchi sono filamenti diafani di proteine. I blob sono minuscole aggregazioni di ghiaccio che si sono formate quando gli scienziati hanno congelato le proteine ​​​​per svelare i segreti che i loro filamenti hanno nascosto per centinaia di milioni di anni.

I filamenti proteici hanno un'altezza e una larghezza inferiori a 50 nanometri. Appaiono sullo schermo perché vengono sondati da un crio-EM, un microscopio elettronico criogenico, nella stanza accanto.

Arrivare a questo punto richiede un po' di fortuna, perché le proteine ​​possono essere oscurate o perse completamente durante il processo di congelamento. I ricercatori possono trascorrere giorni in questa stanza nel seminterrato con quasi nessuna immagine utilizzabile sullo schermo.

Ora che gli scienziati hanno avuto la fortuna di vedere così tanti scarabocchi, il loro prossimo trucco è individuare i pochi che vale la pena studiare più da vicino. Nelle cellule viventi, questi filamenti proteici formano una forma a Y. Quella Y è una componente cruciale di quello che viene chiamato il poro nucleare, che determina, in modi che ancora non capiamo, cosa può viaggiare dentro e fuori il nucleo di una cellula. Tuttavia, le proteine ​​raramente hanno quella forma a Y sullo schermo. Proprio prima che siano racchiusi nello strato di ghiaccio che consente loro di essere scansionati dal crio-EM, le braccia e il gambo di ciascuna Y tendono a diventare sparsi. Un braccio potrebbe essere piegato all'indietro mentre l'altro penzola di lato. Più Y o pezzi di essi spesso si aggregano.

Quindi oggi la studentessa Sarah Nordeen sta pazientemente cercando uno che abbia la forma di una Y definitivamente pulita e chiara.

Ne vedo uno... carino, dice. Anthony Schuller, un biologo strutturale post-dottorato che sta utilizzando il computer, ingrandisce un po' lo scarabocchio che indica. Con pochi clic del mouse, dice al cryo-EM di acquisire immagini ravvicinate che Nordeen può analizzare in seguito. Se riesce a ottenere abbastanza di questi Y ben conservati, alla fine può combinarli per produrre un rendering 3-D di questa struttura, che aiuterà lei e altri scienziati a capire meglio come funge da guardiano all'interno delle cellule.

Il professore di biologia Thomas Schwartz ha guidato lo sforzo per ottenere i cryoEM del MIT, che consentono ai ricercatori di vedere immagini più piccole di 3 angstrom. Bob O'Connor

Questa è la vita al MIT.nano, una struttura aperta lo scorso autunno all'ombra della Grande Cupola. Con due macchine crio-EM e altre apparecchiature che saranno installate nei prossimi anni, scienziati in una gamma sempre più ampia di discipline modelleranno, costruiranno e ripareranno oggetti su scala atomica e molecolare.

Alcuni scienziati utilizzeranno MIT.nano per sviluppare qubit più robusti per computer quantistici. Altri possono armeggiare con la composizione molecolare di anodi e catodi in modo che non si sfilaccino, allungando la vita delle batterie. Altri gruppi ancora sperano di creare materiali ottimizzati per funzioni specifiche adattando le loro strutture molecolari per fare cose come condurre l'elettricità in modo più efficace, creare colori più brillanti sui display dei computer o erogare farmaci mirati nel flusso sanguigno. MIT.nano avrà anche un programma artistico su scala nanometrica. Gli artisti possono utilizzare i materiali generati dai ricercatori del MIT.nano o sfruttare gli strumenti nell'edificio per esercitare un controllo preciso sul modo in cui gli oggetti luccicano, percepiscono o odorano.

Tutte queste applicazioni sono possibili grazie a tecniche sempre migliori per l'imaging dei materiali a livello atomico. Creiamo nuovi modi di vedere e poi vediamo nuovi modi di fare, ha affermato il presidente L. Rafael Reif alla cerimonia di lancio del MIT.nano in ottobre.

Per portare a casa l'aspetto interdisciplinare di tutto ciò, nessuna facoltà avrà uffici nell'edificio MIT.nano da 400 milioni di dollari; solo poche dozzine di membri dello staff che supervisioneranno l'attrezzatura saranno di base lì. I microscopi, le camere bianche e le strutture di fabbricazione sono pensati per essere utilizzati da persone dei dipartimenti di tutto il campus. Lo spazio dedicato significa che le nuove apparecchiature non dovranno essere incuneate in laboratori già imballati e che più versioni di macchine critiche possono essere utilizzate contemporaneamente senza pericolo di contaminazione incrociata, ampliando la capacità di ricerca. Significa anche che i ricercatori avranno accesso a apparecchiature all'avanguardia che sarebbero troppo costose da gestire e mantenere nei propri laboratori e non rimarranno inattive quando non le utilizzano.

La studentessa laureata in biologia Sarah Nordeen ha applicato un piccolo campione del complesso Y dei pori nucleari di lievito a una griglia di supporto del campione di tre millimetri e ha congelato le proteine ​​in uno strato di ghiaccio vitreo per l'analisi crio-EM. Bob O'Connor

Scrutare le proteine

Per mesi dopo l'apertura, la maggior parte di MIT.nano era vuota. La struttura, l'edificio 12, appena fuori dall'Infinite Corridor nel cuore del campus, era comunque impressionante, un'elegante struttura in vetro e acciaio che si affaccia su una passerella con bambù e betulle. (Si chiama Improbability Walk in onore della defunta professoressa dell'Istituto e pioniera del nano Mildred Dresselhaus, che una volta descrisse la propria carriera come improbabile, visti i suoi umili inizi.) Ma se guardassi dentro, potresti vedere stanze bianche e spazi di laboratorio in attesa di essere utilizzato. Ci vuole tempo per trasferire alcuni degli strumenti più avanzati del MIT per l'osservazione e la costruzione di oggetti su scala nanometrica dall'edificio 39, sede dei Microsystems Technology Laboratories, e per identificare e raccogliere fondi per nuove apparecchiature in cui vale la pena investire.

Alcune pietre miliari del MIT nella nanotecnologia

• 1959

  In There's Plenty of Room at the Bottom, un discorso al Caltech, Richard Feynman '39 guarda avanti per decenni fino al giorno in cui gli scienziati potranno disporre gli atomi nel modo desiderato e creare macchine utili su scala nanometrica.

• 1960

  Viene formato il Comitato per l'educazione elettronica dei semiconduttori del MIT.

• 1968

  Microlab apre nell'edificio 13.

• 1972

  Henry Smith e DL Spears suggerisce di utilizzare la litografia a raggi X per fabbricare circuiti di silicio con caratteristiche su scala nanometrica.

• 1984

  Apre MTL (Microsystems Technology Labs) nell'edificio 39.

• 1992

  Mildred Dresselhaus e colleghi prevedono che si potrebbero realizzare nanotubuli di carbonio semiconduttori o metallici alterando leggermente la loro geometria. Inizia anche a ricercare modi per sfruttare l'effetto termoelettrico su scala nanometrica, lanciando un nuovo campo.

• 1993

  Il gruppo di Moungi Bawendi inventa un modo per sintetizzare i nanocristalli o punti quantici.

• 1994

  Robert Langer, ScD '74 e colleghi usano le nanomolecole per somministrare farmaci in modo più efficace e con meno effetti collaterali.

• continua di seguito

A parte i vivaci laboratori di chimica universitari all'ultimo piano dell'edificio, la prima azione al MIT.nano è stata nel seminterrato. Per consentire il funzionamento di crio-EM e strumenti simili, il seminterrato dispone di stanze speciali schermate dalle radiazioni elettromagnetiche (non è possibile ricevere il segnale del telefono cellulare) e dotate di piattaforme che annullano le vibrazioni dell'edificio e del mondo esterno. Una macchina crio-EM costa circa $ 5 milioni; la stanza che lo ospita è di altri tre o quattro milioni. Avere due nel campus è un gradito cambiamento. Prima dell'apertura di MIT.nano, i ricercatori del MIT hanno dovuto prendere in prestito del tempo su vecchi modelli di cryo-EM in altre istituzioni.

Gli scienziati hanno sbirciato cose su questa scala per molto tempo. La cristallografia a raggi X, ad esempio, è nata un secolo fa. Questo è ciò che ha permesso di determinare la struttura del DNA nel 1953. La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, che può essere utilizzata per accertare la struttura atomica di un composto, e i microscopi elettronici, che sparano un raggio di elettroni su un oggetto e misurano come si disperdono, sono stati sviluppato negli anni '50. Negli anni '80 arrivarono i microscopi a scansione-tunnel, che possono visualizzare singoli atomi in un materiale conduttivo. Gli STM funzionano posizionando una punta ultra affilata appena sopra il campione e misurando la corrente degli elettroni che passano dalla punta al materiale. Poi è arrivato il microscopio a forza atomica, che ha una risoluzione ancora più alta. Può spingere e stimolare atomi e molecole, oltre a testimoniare l'attività in campioni non conduttori, comprese le cellule viventi.

Per quanto impressionanti siano tutti questi metodi, sono stati ciechi di fronte a una grande quantità di materiale biologico, gran parte del quale non si presta bene a essere cristallizzato o bombardato con elevate quantità di energia. I crio-EM, basati su scoperte che hanno vinto il Premio Nobel per la chimica nel 2017, si sono rivelati particolarmente utili per esaminare in dettaglio la sostanza appiccicosa all'interno delle cellule.

Sebbene la tecnologia cryo-EM abbia iniziato ad emergere negli anni '80 e '90, negli ultimi anni è notevolmente migliorata. I miglioramenti nelle tecnologie delle fotocamere hanno consentito ai ricercatori di migliorare la risoluzione di cinque o 10 volte: i crio-EM possono ora risolvere immagini di dimensioni inferiori a 3 angstrom. (Un angstrom, un decimo di nanometro, è il diametro di un atomo di idrogeno.) E l'immagine dovrebbe diventare molto più nitida in breve tempo. I limiti teorici della tecnica non sono stati ancora raggiunti e le tecnologie ora in fase di sviluppo potrebbero limitare i danni che i fasci di elettroni in queste macchine infliggono ai campioni in esame, afferma Edward Brignole, che supervisiona i cryo-EM in MIT.nano.

Unendo in modo computazionale le immagini di circa 1 milione di singole proteine, Sarah Nordeen e Anthony Schuller sperano di ottenere una struttura atomica 3D per il complesso. Il modello 3D previsto da Nordeen per il complesso è mostrato qui.

La proteina a forma di Y analizzata in MIT.nano è apparsa per la prima volta circa un decennio fa, grazie alla cristallografia e ad altre tecniche. Questo è stato un inizio cruciale per capire cosa fa nel poro nucleare, poiché la funzione di una proteina è dettata dalle strutture che sono naturalmente formate dalle sue catene di amminoacidi. Ma solo con gli strumenti ora disponibili gli scienziati possono vedere sia la Y stessa che le connessioni che crea con altre subunità del poro nucleare.

Per avere un'idea di quanto sia piccola la scala qui, considera che la struttura Y è composta solo da circa 100.000 atomi, secondo Thomas Schwartz, il biologo strutturale del MIT il cui laboratorio include Nordeen e Schuller. Se capissimo meglio come si adatta agli altri pezzi, potremmo imparare come il poro permette, diciamo, all'RNA messaggero di uscire dal nucleo e alle proteine ​​di entrare. Potremmo anche scoprire perché i suoi metodi di gatekeeping non sono infallibili . In che modo alcuni virus entrano nel nucleo, dove si replicano? C'è un modo per fermarlo?

Altri biologi che si alternano ai crio-EM hanno domande diverse. Postdoc Xue Fei lo sta usando per studiare le proteine ​​che i batteri usano per smaltire i rifiuti. Kacper Rogala, un post-dottorato presso il Whitehead Institute for Biomedical Research, affiliato al MIT, sta esaminando singoli pezzi del percorso mTOR. Questo è un meccanismo di segnalazione che regola il metabolismo delle cellule. È stato collegato al cancro e alla longevità e forse sarà possibile sviluppare farmaci che mirano a interazioni molto specifiche in questo percorso piuttosto che all'intera cosa.

I due nuovi microscopi elettronici criogenici del MIT, noti come cryo-EM, sono alloggiati in MIT.nano su piattaforme che annullano le vibrazioni ambientali. Bob O'Connor

Dal vedere al trasformare

Siamo solo all'inizio, all'inizio, ai primi giorni per sfruttare le opportunità della nanoscala, afferma Vladimir Bulović, il professore di ingegneria che è direttore del MIT.nano. Siamo seduti nel suo ufficio familiare, con armadi alti, piante e un tavolino da caffè in legno, nell'edificio 13, in fondo al corridoio da un corridoio appena aperto che si collega a un piano superiore del MIT.nano. Sta spiegando perché l'attrezzatura che alla fine riempirà l'edificio getterà le basi per applicazioni che non possiamo ancora immaginare.

• 1999

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

• 2002

  Linda Griffith e colleghi creano strutture tissutali biologiche su silicio, il fegato su un chip.

• 2006

  Karl K. Berggren e colleghi dimostrano un dispositivo a nanofili in grado di rilevare un singolo fotone.

• 2009

  Angela Belcher e il suo team utilizzano virus geneticamente modificati per costruire i componenti chiave di una batteria agli ioni di litio.

• 2014

  Scott Manalis, Belcher e Bhatia dimostrano un dispositivo che misura la massa di singole nanoparticelle con elevata precisione.

• 2014

  Vladimir Bulovic, Marc Baldo e colleghi immaginano un eccitone, una quasiparticella responsabile del trasferimento di energia su scala nanometrica. L'eccitone è essenziale per celle solari, LED e circuiti a semiconduttore.

• 2018

  Paula Hammond '84, PhD '93 e colleghi progettano nanoparticelle che attraversano la barriera emato-encefalica nei topi per fornire farmaci antitumorali.

Bulović ha svolto un lavoro pionieristico su materiali come punti quantici, particelle semiconduttrici di dimensioni nanometriche utili in televisori ad alta definizione, celle solari e ricerca biologica. Sfruttano la meccanica quantistica in modi che non potevano essere osservati direttamente prima che il microscopio a scansione a effetto tunnel fosse inventato negli anni '80. Ma come sottolinea Bulović, ci è voluto molto tempo prima che quella particolare svolta nella visualizzazione fosse utilizzata nei prodotti. All'inizio, abbiamo passato il nostro tempo semplicemente ad essere felici di vedere gli atomi, dice. La padronanza degli atomi arrivò lentamente. Nel 1993, gli scienziati IBM sono riusciti a racchiudere gli atomi in configurazioni che manipolavano il comportamento degli elettroni. Ma è stato solo negli anni 2000, dice Bulović, che gli scienziati sono diventati abili nell'utilizzare i poteri di osservazione dell'STM per la progettazione di materiali specifici.

Ora si aspetta di vedere un processo simile svolgersi in MIT.nano, dove le macchine che sono state generalmente utilizzate per esperimenti altamente specializzati diventeranno set di strumenti già pronti per un uso più ampio.

Uno dei professori che passano dal vedere al fare è Farnaz Niroui, SM '13, PhD '17, che si è appena iscritto alla facoltà di ingegneria. È in grado di controllare con precisione il modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro all'interno di materiali progettati su scala nanometrica. Ciò pone le basi per dispositivi che sono molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli che abbiamo oggi. Nel frattempo, la professoressa di scienze dei materiali e ingegneria Frances Ross e i suoi colleghi stanno documentando esattamente cosa succede quando alcuni tipi di molecole conduttive si auto-organizzano in nanofili. Se tali intuizioni permetteranno di far crescere fili all'interno di nuovi materiali, chissà quali dispositivi elettronici ne saranno fatti?

Per fare un altro esempio, Bulović prende un pezzo di plastica con dei rettangoli neri. È un prototipo di un tipo di cella solare flessibile ma ultra efficiente che assorbe più lunghezze d'onda della luce rispetto ai dispositivi fotovoltaici di oggi. Realizzarlo ha richiesto agli scienziati di armeggiare con le proprietà molecolari dei minerali noti come perovskiti, che possono raccogliere energia solare. Bulović afferma che le persone che passeggiano per MIT.nano nei prossimi anni potrebbero sbirciare e vedere scienziati spalmare paste ricche di perovskite su fogli di plastica mentre cercano di perfezionare la tecnologia.

Vladimir Bulović, direttore del MIT.nano e professore di ingegneria. Bob O'Connor

Bulović menziona questa possibilità per evidenziare la ricerca sull'energia pulita perseguita attraverso i programmi interdisciplinari del MIT come GridEdge Solar, che mira a incrementare la produzione di celle solari leggere e flessibili. Ma lo fa anche notare la natura trasparente di MIT.nano. Gran parte di ciò che accadrà all'interno, a parte la ricerca biologica, sarà la continuazione del lavoro attivo da anni nei Microsystems Technology Labs, un dipartimento che Bulović, Reif e il prevosto Martin Schmidt hanno diretto una volta. Ma qui, dice Bulović, le cose saranno più aperte.

Bulović ricorda di essere stato visitato diversi anni fa da un regista di film che disse: Sai, Vladimir, voi ragazzi qui al MIT, siete una specie di calderone del mistero. La roba salta fuori dal calderone, ma non sappiamo davvero quale sia la zuppa. Mostraci la zuppa! È in quello spirito, dice Bulović, che ci sono finestre ovunque.

Vogliamo assicurarci che tu possa sbirciare dentro, dice. Non capirai esattamente cosa sta succedendo, ma vedrai l'attività. Vedrai persone dedite al loro mestiere e ti stupirai di come fanno, X, Y o Z.

Altrettanto importante, dice, è che le persone all'interno delle camere bianche e degli altri laboratori vedano fuori. Ci assicuriamo che tu possa guardare fuori dal MIT.nano e vedere il luccichio delle betulle e l'ondeggiamento del bambù, dice. C'è un mondo esterno che dipende dal tuo sviluppo di cose che contano.

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