Дослідники з Університету Осаки створили м’який, гнучкий і бездротовий оптичний датчик за допомогою вуглецевих нанотрубок і органічних транзисторів на ультратонкій полімерній плівці. Ця інновація готова відкрити нові можливості в технологіях обробки зображень і методах неруйнівного аналізу.

Останні роки принесли значний прогрес у технології обробки зображень, починаючи від високошвидкісних оптичних датчиків, здатних захоплювати понад два мільйони кадрів на секунду, і закінчуючи компактними камерами без лінз, які можуть захоплювати зображення лише з одним пікселем.

У дослідженні, нещодавно опублікованому в Advanced Materials, дослідники з SANKEN (Інститут наукових і промислових досліджень) при Університеті Осаки розробили оптичний датчик на надтонкому гнучкому аркуші, який можна згинати, не ламаючи. Насправді цей датчик настільки гнучкий, що він працюватиме навіть після того, як його зім’яли в кульку.

У камері оптичний датчик – це пристрій, який сприймає світло, що пройшло через лінзу, подібно до сітківки всередині людського ока.

Інновації в дизайні датчиків

«Звичайні оптичні датчики побудовані з використанням неорганічних напівпровідників і сегнетоелектричних матеріалів», — каже Рей Кавабата, провідний автор дослідження. «Це робить датчики жорсткими і нездатними згинатися. Щоб уникнути цієї проблеми, ми шукали інший спосіб виявлення світла».

Замість традиційних датчиків світла дослідники використовують масив крихітних фотодетекторів з вуглецевих нанотрубок, надрукованих на надтонкій полімерній підкладці (менше ніж 5 мкм). Під впливом світла вуглецеві нанотрубки нагріваються, створюючи тепловий градієнт, який потім генерує сигнал напруги. Легування нанотрубок хімічними носіями під час друку ще більше підвищує їхню чутливість. Використовуючи ці нанотрубки, можна вимірювати видиме світло, а також інфрачервоне світло, наприклад, пов’язане з теплом або молекулами.

Інтеграція бездротових технологій

Разом із сенсорами з вуглецевих нанотрубок органічні транзистори також друкуються на полімерній підкладці для організації сигналів напруги в сигнал зображення. Щоб прочитати цей сигнал, комп’ютер не потребує фізичного під’єднання проводів до датчика. Замість нього використовується бездротовий модуль Bluetooth.

«Разом із цією бездротовою системою наш тепловізор може прикріплювати м’які та вигнуті об’єкти для аналізу їхніх поверхонь або внутрішніх частин, не пошкоджуючи їх», — говорить Теппеі Аракі, старший автор дослідження.

Дослідники створили прототип листового оптичного датчика та перевірили його здатність відчувати тепло від об’єктів, таких як людські пальці чи дроти, а також глюкозу, що тече через трубки. Вони виявили, що оптичний датчик має високу чутливість у широкому діапазоні довжин хвиль. Крім того, за кімнатної температури та атмосферних умов випробування показали, що він має високу міцність на вигин і працював навіть після того, як був зім’ятий.

Унікальні переваги цієї бездротової вимірювальної системи та листового оптичного датчика призведуть до нових і простіших способів виконання багатьох завдань, таких як оцінка якості рідини без необхідності взяття її проби. Дослідники вважають, що це багатообіцяюче в багатьох додатках, таких як неруйнівне зображення, переносні пристрої та м’яка робототехніка.

Дослідження виду аскарид C. elegans показали, що порушення в передачі РНК між клітинами в різних тканинах можуть призвести до скорочення тривалості життя. Клітини в різних тканинах взаємодіють за допомогою спільних молекул РНК. Дослідження, проведене вченими з Університету штату Кампінас (UNICAMP) у Бразилії з використанням аскарид Caenorhabditis elegans, виявило, що порушення цього способу спілкування можуть призвести до скорочення тривалості життя організму. Дослідження нещодавно було опубліковано в журналі Gene. Отримані дані сприяють кращому розумінню процесу старіння та супутніх захворювань.

«Попередні дослідження показали, що деякі типи РНК можуть переноситися з однієї клітини в іншу, опосередковуючи міжтканинну комунікацію, подібну до того, що відбувається, наприклад, з білками та метаболітами. Це вважається механізмом передачі сигналів між органами або сусідніми клітинами. Це частина [фізіопатології] кількох захворювань і нормального функціонування організму», — сказав Марсело Морі, відповідний автор статті та професор Інституту біології (IB-UNICAMP). «Те, що було незрозумілим і тепер нам вдалося довести, так це те, що зміни в шаблоні цієї «розмови» між молекулами РНК можуть впливати на старіння».

Дослідження проводилося в Дослідницькому центрі ожиріння та супутніх захворювань (OCRC) UNICAMP, одному з центрів досліджень, інновацій та розповсюдження (RIDC), фінансованих FAPESP. Він також фінансувався через проєкт, головним дослідником якого є Морі.

«Цей механізм зв’язку має бути добре налаштований, щоб дати організму адекватну тривалість життя. Під час дослідження ми виявили, що якщо будь-яка тканина збільшує свою здатність поглинати деякі типи РНК із позаклітинного середовища, це в кінцевому підсумку впливає на тривалість життя організму», — сказав Морі.

Дослідники продемонстрували, що скорочення тривалості життя пов’язане не лише з порушенням зв’язку на основі РНК між тканинами в одному організмі, додав він, але також зі збільшенням здатності поглинати РНК із середовища – бактерій у мікробіоті, для приклада. Як вони пояснюють у статті: «Наші дані підтверджують уявлення про те, що системна передача сигналів РНК повинна жорстко регулюватися, а дисбаланс цього процесу провокує скорочення тривалості життя. Ми назвали це явище міжклітинним/позаклітинним системним дисбалансом РНК (InExS)».

Порушення правил

Морі пояснив, що на рішення дослідити механізм міжклітинного транспорту РНК надихнуло відкриття РНК-інтерференції, за яке американські вчені Ендрю Фаєр і Крейг Мелло отримали Нобелівську премію з фізіології та медицини 2006 року. Вони ввели дволанцюгову РНК у C. elegans , щоб «заглушити» гени з високою точністю. «Вони виявили, що механізм глушіння впливає на гени в інших тканинах, а також на залучену тканину, і що він передається наступним поколінням», — сказав він.

Відкриття РНК-інтерференції прояснило механізми, що лежать в основі передачі РНК між клітинами організму та між організмом і навколишнім середовищем. Він також релятивізував центральну догму молекулярної біології. До того часу вважалося, що інформація, втілена генетичним кодом, надходить лише від ДНК до РНК, а звідти до білків, але робота Файра та Крейга виявила, що дволанцюгова РНК може блокувати цей потік. Месенджер РНК руйнується РНК-інтерференцією, яка замовчує певні гени, не змінюючи послідовність ДНК, показуючи, що РНК також може виконувати регуляторну функцію в геномі. Хоча геном людини містить близько 30 000 генів, лише деякі з них використовуються в кожній клітині для синтезу білків. Значна частина відіграє регуляторну роль, впливаючи на експресію інших генів.

Баланс — це все

«Ми хотіли зрозуміти, як цей процес може вплинути на важливі фізіологічні функції, пов’язані зі старінням. У C. elegans перенесення РНК між клітинами включає гени, відомі як системні дефекти РНК-інтерференції (SID) [відповідальні за різні етапи поглинання та експорту РНК]. Ми спостерігали, що модель експресії генів, пов’язана з цим шляхом у певних тканинах, змінювалася під час старіння. Матрична РНК, яка кодує білок SID-1 [фундаментальний для клітинного поглинання РНК], наприклад, збільшилася в одних тканинах і зменшилася в інших», — сказав Морі.

Щоб дізнатися більше про роль РНК у міжтканинній сигналізації, дослідники провели експерименти, під час яких вони маніпулювали експресією білка SID-1 у специфічних тканинах C. elegans, таких як нейрональні, кишкові та м’язові клітини, щоб змінити свою функцію.

«Ми виявили, що мутанти без функції SID-1 такі ж здорові, як черв’яки дикого типу, тоді як надмірна експресія SID-1 у кишківнику, м’язах або нейронах скорочує тривалість життя відповідних черв’яків. Ми також виявили, що скорочення тривалості життя корелює з надмірною експресією інших білків у шляху транспорту РНК, таких як SID-2 і SID-5», — сказав він.

Порушення регуляції може полягати в розподілі РНК у тканині. «Щоб порушити регуляцію розподілу РНК у черв’яків, ми збільшили експресію SID-1 у певних тканинах [кишковій системі, м’язах і нейронах] і виявили, що її направлення до певного органу призводить до скорочення тривалості життя», — сказав він.

«Ми також показали, що цей дисбаланс у перенесенні РНК призвів до втрати функції на шляху, який виробляє мікроРНК [невеликі шматочки некодуючої РНК з регуляторною функцією]. Схоже, що більша кількість РНК, транспортованих до цих тканин, створила своєрідну конкуренцію, в якій виробництво мікроРНК програло. Попередні дослідження вже показали, що втрата функції виробництва мікроРНК призвела до скорочення тривалості життя».

Група UNICAMP також досліджувала екзогенний перенос РНК (між зовнішнім середовищем і організмом). Як і в попередніх експериментах, скорочення тривалості життя корелювало з надлишковою експресією SID-2, який опосередковує поглинання РНК з кишківника, і з надмірним виробництвом РНК бактеріями, якими харчуються черв’яки і які потрапляють у кишкову мікробіоту.

«Ми вважаємо, що хробаки можуть використовувати екзогенну РНК для моніторингу мікроорганізмів у навколишньому середовищі, але негативні наслідки можуть виникнути, коли їх тканини поглинають надмірну кількість», — сказав Морі. «Коли ми змусили бактерії в лабораторії експресувати більше дволанцюгової РНК, тривалість життя хробаків зменшилася. Надмірний перенос РНК перешкоджає гомеостазу та ендогенному виробленню РНК, прискорюючи процес старіння».