Ein Blick ins MIT.nano

Zwei Stockwerke unter der Erde im neuesten Gebäude des MIT sitzen zwei Biologie-Postdocs und ein Doktorand um einen Computermonitor, der einen grauen Hintergrund zeigt, der mit kleinen Schnörkeln und ein paar dunklen Flecken gesprenkelt ist. Die Schnörkel sind durchsichtige Proteinstränge. Die Blobs sind winzige Eisansammlungen, die entstanden, als die Wissenschaftler die Proteine ​​schockgefroren haben, um Geheimnisse zu entschlüsseln, die ihre Stränge seit Hunderten von Millionen Jahren verbergen.

Die Proteinstränge sind weniger als 50 Nanometer hoch und breit. Sie erscheinen auf dem Bildschirm, weil sie von einem Kryo-EM – einem kryogenen Elektronenmikroskop – im Nebenraum untersucht werden.



Um an diesen Punkt zu gelangen, braucht es etwas Glück, denn die Proteine ​​können beim Einfrieren verdeckt werden oder ganz verloren gehen. In diesem Kellerraum können Forscher Tage verbringen, ohne dass auf dem Bildschirm verwertbare Bilder erscheinen.

Nachdem die Wissenschaftler nun das Glück hatten, so viele Schnörkel zu sehen, besteht ihr nächster Trick darin, die wenigen zu erkennen, die es wert sind, genauer untersucht zu werden. In lebenden Zellen bilden diese Proteinstränge eine Y-Form. Dieses Y ist eine entscheidende Komponente der sogenannten Kernpore, die auf eine Weise bestimmt, die wir immer noch nicht verstehen, was in den Zellkern hinein und aus ihm heraus wandern kann. Allerdings haben die Proteine ​​auf dem Bildschirm selten diese Y-Form. Kurz bevor sie in die Eisschicht eingeschlossen werden, die sie vom Kryo-EM scannen lässt, neigen die Arme und der Stiel jedes Y dazu, nussig zu werden. Ein Arm könnte nach hinten gebogen sein, während der andere zur Seite baumelt. Oft verklumpen mehrere Ys oder Teile davon.

Deshalb sucht die Doktorandin Sarah Nordeen heute geduldig nach einem, das die Form eines definitiv sauberen und klaren Y hat.

Ich sehe einen – einen hübschen, sagt sie. Anthony Schuller, ein Postdoc-Strukturbiologe, der den Computer bedient, zoomt etwas näher an die Schnörkel heran, die sie zeigt. Mit ein paar Mausklicks weist er das Kryo-EM an, Nahaufnahmen aufzunehmen, die Nordeen später analysieren kann. Wenn sie genug von diesen gut erhaltenen Ys bekommt, kann sie sie schließlich kombinieren, um eine 3D-Darstellung dieser Struktur zu erstellen – was ihr und anderen Wissenschaftlern helfen wird, besser zu verstehen, wie sie als Torwächter in Zellen dient.

  Foto von Thomas Schwartz bei der Eröffnung von Cryo-EM

Der Biologieprofessor Thomas Schwartz leitete die Bemühungen, die KryoEMs des MIT zu erhalten, mit denen Forscher Bilder sehen können, die kleiner als 3 Angström sind. Bob O’Connor

So ist das Leben im MIT.nano, einer Einrichtung, die im vergangenen Herbst im Schatten des Great Dome eröffnet wurde. Mit zwei Kryo-EM-Maschinen und anderen Geräten, die in den kommenden Jahren installiert werden, werden Wissenschaftler in einer Vielzahl von Disziplinen Dinge auf atomarer und molekularer Ebene modellieren, bauen und reparieren.

Einige Wissenschaftler werden MIT.nano verwenden, um stabilere Qubits für Quantencomputer zu entwickeln. Andere können am molekularen Aufbau von Anoden und Kathoden basteln, damit sie nicht ausfransen und die Lebensdauer von Batterien verlängern. Wieder andere Gruppen hoffen, Materialien zu schaffen, die für bestimmte Funktionen optimiert sind, indem sie ihre Molekularstrukturen so anpassen, dass sie beispielsweise Elektrizität effektiver leiten, leuchtendere Farben auf Computerbildschirmen erzeugen oder gezielt Medikamente in den Blutkreislauf abgeben. MIT.nano wird sogar ein Kunstprogramm im Nanomaßstab haben. Künstler können Materialien verwenden, die von MIT.nano-Forschern erstellt wurden, oder Werkzeuge im Gebäude nutzen, um eine genaue Kontrolle darüber auszuüben, wie Objekte schimmern, sich anfühlen oder riechen.

All diese Anwendungen sind aufgrund immer besserer Techniken zur Abbildung von Materialien auf atomarer Ebene möglich. „Wir schaffen neue Sichtweisen, und dann sehen wir neue Wege des Machens“, sagte Präsident L. Rafael Reif bei der MIT.nano-Einführungszeremonie im Oktober.

Um den interdisziplinären Aspekt des Ganzen deutlich zu machen, wird keine Fakultät Büros in dem 400 Millionen Dollar teuren MIT.nano-Gebäude haben; Nur ein paar Dutzend Mitarbeiter, die die Ausrüstung beaufsichtigen, werden dort stationiert sein. Die Mikroskope, Reinräume und Fertigungseinrichtungen sollen von Personen aus den Abteilungen des gesamten Campus genutzt werden. Der dedizierte Raum bedeutet, dass neue Geräte nicht in bereits vollgepackte Labore gezwängt werden müssen und mehrere Versionen kritischer Maschinen gleichzeitig ohne Gefahr einer Kreuzkontamination betrieben werden können, wodurch die Forschungskapazität erweitert wird. Es bedeutet auch, dass Forscher Zugang zu modernster Ausrüstung haben, deren Betrieb und Wartung in ihren eigenen Labors zu teuer wäre – und die nicht ungenutzt bleibt, wenn sie sie nicht verwenden.

  Bild einer Pinzette, die ein 3-mm-Probenträgergitter hält

Die Doktorandin der Biologie, Sarah Nordeen, trug eine kleine Probe des Hefe-Kernporen-Y-Komplexes auf ein 3-Millimeter-Probenträgergitter auf und fror die Proteine ​​in einer Schicht aus glasartigem Eis für die Kryo-EM-Analyse ein. Bob O’Connor

Auf Proteine ​​blicken

Monate nach der Eröffnung war der größte Teil von MIT.nano leer. Die Einrichtung – Gebäude 12, direkt am Infinite Corridor im Herzen des Campus – war nichtsdestotrotz beeindruckend, eine elegante Glas-Stahl-Struktur, die auf einen Gehweg mit Bambus und Birken hinausblickt. (Es heißt Improbability Walk zu Ehren der verstorbenen Institutsprofessorin und Nano-Pionierin Mildred Dresselhaus, die ihre eigene Karriere angesichts ihrer bescheidenen Anfänge einmal als unwahrscheinlich bezeichnete.) Aber wenn man hineinschaute, konnte man Reinräume und Laborräume sehen, die darauf warteten verwendet werden. Es braucht Zeit, um einige der fortschrittlichsten Werkzeuge des MIT zur Beobachtung und zum Bau von Dingen im Nanomaßstab aus Gebäude 39, dem Sitz der Microsystems Technology Laboratories, zu transferieren und neuere Geräte zu identifizieren – und die Mittel dafür aufzubringen –, in die es sich zu investieren lohnt.

Einige MIT-Meilensteine ​​in der Nanotechnologie

  • 1959

    In There’s Plenty of Room at the Bottom, einem Vortrag am Caltech, blickt Richard Feynman ’39 auf Jahrzehnte bis zu dem Tag voraus, an dem Wissenschaftler die Atome so anordnen können, wie wir es wollen, und nützliche Maschinen im Nanomaßstab bauen können.

  • 1960

    Das Semiconductor Electronics Education Committee des MIT wird gegründet.

  • 1968

    Microlab eröffnet in Gebäude 13.

  • 1972

    Henry Smith und D.L. Spears schlägt die Verwendung von Röntgenlithographie vor, um Siliziumschaltkreise mit nanoskaligen Merkmalen herzustellen.

  • 1984

    MTL (Microsystems Technology Labs) eröffnet in Gebäude 39.

  • 1992

    Mildred Dresselhaus und Kollegen sagen voraus, dass man durch geringfügige Änderung ihrer Geometrie entweder halbleitende oder metallische Kohlenstoff-Nanoröhren herstellen könnte. Sie beginnt auch mit der Erforschung von Möglichkeiten zur Nutzung des thermoelektrischen Effekts im Nanomaßstab und eröffnet damit ein neues Gebiet.

  • 1993

    Die Gruppe von Moungi Bawendi erfindet eine Methode zur Synthese von Nanokristallen oder Quantenpunkten.

  • 1994

    Robert Langer, ScD ’74, und Kollegen verwenden Nanomoleküle, um Medikamente effektiver und mit weniger Nebenwirkungen zu verabreichen.

  • weiter unten

Abgesehen von den geschäftigen Chemielabors für Studenten im obersten Stockwerk des Gebäudes fand die frühe Aktion bei MIT.nano im Keller statt. Damit Kryo-EMs und ähnliche Instrumente funktionieren können, verfügt der Keller über spezielle Räume, die vor elektromagnetischer Strahlung abgeschirmt sind – Sie können kein Handysignal empfangen – und mit Plattformen ausgestattet sind, die Vibrationen des Gebäudes und der Außenwelt aufheben. Ein Kryo-EM-Gerät kostet etwa 5 Millionen US-Dollar; der Raum, in dem es untergebracht ist, ist weitere drei oder vier Millionen. Zwei auf dem Campus zu haben, ist eine willkommene Abwechslung. Vor der Eröffnung von MIT.nano mussten MIT-Forscher Zeit für ältere Modelle von Kryo-EMs an anderen Institutionen ausleihen.

Wissenschaftler haben sich schon sehr lange mit Dingen in dieser Größenordnung beschäftigt. Die Röntgenkristallographie zum Beispiel entstand vor einem Jahrhundert. So war es 1953 möglich, die Struktur der DNA zu bestimmen. Kernspinresonanzspektroskopie, mit der sich der atomare Aufbau einer Verbindung ermitteln lässt, und Elektronenmikroskope, die einen Elektronenstrahl auf ein Objekt schießen und messen, wie sie gestreut werden in den 1950er Jahren entwickelt. In den 1980er Jahren kamen Rastertunnelmikroskope auf, die einzelne Atome in einem leitfähigen Material abbilden können. STMs arbeiten, indem sie eine ultrascharfe Spitze direkt über der Probe schweben lassen und den Strom der Elektronen messen, die von der Spitze zum Material tunneln. Dann kam das Rasterkraftmikroskop, das eine noch höhere Auflösung hat. Es kann Atome und Moleküle schieben und anstoßen sowie Aktivitäten in nichtleitenden Proben, einschließlich lebender Zellen, beobachten.

So beeindruckend diese Methoden alle sind, sie waren blind für eine riesige Menge an biologischem Material, von dem sich viele nicht gut für die Kristallisation oder den Beschuss mit hohen Energiemengen eignen. Kryo-EMs, die auf Durchbrüchen basieren, die 2017 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden, haben sich als besonders nützlich erwiesen, um das klebrige Zeug in Zellen im Detail zu untersuchen.

Obwohl die Kryo-EM-Technologie in den 1980er und 1990er Jahren aufkam, ist sie in den letzten Jahren erheblich besser geworden. Verbesserungen der Kameratechnologien haben es Forschern ermöglicht, die Auflösung um das Fünf- oder Zehnfache zu verbessern: Kryo-EMs können jetzt Bilder auflösen, die kleiner als 3 Angström sind. (Ein Angström, ein Zehntel Nanometer, ist der Durchmesser eines Wasserstoffatoms.) Und das Bild sollte bald viel schärfer werden. Die theoretischen Grenzen der Technik sind noch nicht erreicht, und Technologien, die sich derzeit in der Entwicklung befinden, könnten den Schaden begrenzen, den die Elektronenstrahlen in diesen Maschinen den untersuchten Proben zufügen, sagt Edward Brignole, der die Kryo-EMs bei MIT.nano überwacht.

  Kryo-EM-generiertes Bild   Eine vorhergesagte 3D-Atomstruktur von

Sarah Nordeen und Anthony Schuller hoffen, durch die rechnerische Zusammenführung von Bildern von etwa 1 Million einzelner Proteine ​​eine 3D-Atomstruktur für den Komplex zu erhalten. Das von Nordeen vorhergesagte 3D-Modell für den Komplex wird hier gezeigt.

Das Y-förmige Protein, das in MIT.nano analysiert wird, kam erstmals vor etwa einem Jahrzehnt dank Kristallographie und anderen Techniken ins Blickfeld. Das war ein entscheidender Anfang, um herauszufinden, was es in der Kernpore tut, da die Funktion eines Proteins von den Strukturen bestimmt wird, die natürlicherweise von seinen Aminosäureketten gebildet werden. Aber nur mit den jetzt verfügbaren Werkzeugen können Wissenschaftler sowohl das Y selbst als auch die Verbindungen sehen, die es mit anderen Untereinheiten der Kernpore herstellt.

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie klein der Maßstab hier ist, bedenken Sie, dass die Y-Struktur nur aus etwa 100.000 Atomen besteht, so Thomas Schwartz, der MIT-Strukturbiologe, zu dessen Labor Nordeen und Schuller gehören. Wenn wir besser verstehen würden, wie es mit den anderen Teilen zusammenpasst, könnten wir lernen, wie die Pore beispielsweise Boten-RNA aus dem Zellkern heraus und Proteine ​​hineinlässt. Wir könnten auch herausfinden, warum ihre Gatekeeping-Methoden nicht narrensicher sind . Wie gelangen manche Viren in den Zellkern, wo sie sich vermehren? Gibt es eine Möglichkeit, das zu stoppen?

Andere Biologen, die sich an den Kryo-EMs abwechseln, haben andere Fragen. Postdoc Xue Fei untersucht damit Proteine, mit denen Bakterien ihren Abfall entsorgen. Kacper Rogala, Postdoc am Whitehead Institute for Biomedical Research, das dem MIT angegliedert ist, untersucht einzelne Teile des mTOR-Signalwegs. Das ist ein Signalmechanismus, der den Stoffwechsel von Zellen reguliert. Es wurde mit Krebs und Langlebigkeit in Verbindung gebracht, und vielleicht wird es möglich sein, Medikamente zu entwickeln, die auf sehr spezifische Wechselwirkungen in diesem Weg abzielen, anstatt auf das Ganze.

  Bild eines von Hand platzierten Gefäßes in Kryo-EM

Die beiden neuen kryogenen Elektronenmikroskope des MIT, bekannt als Kryo-EMs, sind in MIT.nano auf Plattformen untergebracht, die Umgebungsschwingungen aufheben. Bob O’Connor

Vom Sehen zum Transformieren

Wir stehen noch ganz am Anfang, die Möglichkeiten der Nanoskala zu nutzen, sagt Vladimir Bulović, Ingenieurprofessor und Direktor von MIT.nano. Wir sitzen in seinem gemütlichen Büro mit hohen Schränken, Pflanzen und einem hölzernen Couchtisch in Gebäude 13, den Flur hinunter von einem neu eröffneten Korridor, der mit einem Obergeschoss des MIT.nano verbunden ist. Er erklärt, warum die Ausrüstung, die das Gebäude schließlich füllen wird, die Grundlage für Anwendungen schaffen wird, die wir uns noch nicht unbedingt vorstellen können.

  • 1999

    Sangeeta Bhatia, SM ’93, PhD ’97, veröffentlicht Microfabrication in Tissue Engineering and Bioartificial Organs.

  • 2002

    Linda Griffith und Kollegen erzeugen biologische Gewebestrukturen auf Silizium, die Leber auf einem Chip.

  • 2006

    Karl K. Berggren und Kollegen demonstrieren ein Nanodrahtgerät, das ein einzelnes Photon detektieren kann.

  • 2009

    Angela Belcher und ihr Team verwenden gentechnisch veränderte Viren, um die Schlüsselkomponenten einer Lithium-Ionen-Batterie zu bauen.

  • 2014

    Scott Manalis, Belcher und Bhatia demonstrieren ein Gerät, das die Masse einzelner Nanopartikel mit hoher Genauigkeit misst.

  • 2014

    Vladimir Bulovic, Marc Baldo und Kollegen stellen ein Exziton dar, ein Quasiteilchen, das für die Energieübertragung im Nanobereich verantwortlich ist. Das Exziton ist essentiell für Solarzellen, LEDs und Halbleiterschaltungen.

  • 2018

    Paula Hammond ’84, PhD ’93 und Kollegen entwickeln Nanopartikel, die bei Mäusen die Blut-Hirn-Schranke überwinden, um Krebsmedikamente zu verabreichen.

Bulović hat Pionierarbeit zu Materialien wie Quantenpunkten, Halbleiterpartikeln in Nanogröße geleistet, die in hochauflösenden Fernsehern, Solarzellen und der biologischen Forschung nützlich sind. Sie nutzen die Quantenmechanik auf eine Weise, die vor der Erfindung des Rastertunnelmikroskops in den 1980er Jahren nicht direkt beobachtet werden konnte. Aber wie Bulović betont, hat es lange gedauert, bis dieser besondere Durchbruch in der Visualisierung in Produkten zum Einsatz kam. Anfangs verbrachten wir unsere Zeit damit, uns nur darüber zu freuen, Atome zu sehen, sagt er. Die Beherrschung der Atome kam langsam. 1993 gelang es IBM-Wissenschaftlern, Atome in Konfigurationen einzuschließen, die das Verhalten von Elektronen manipulierten. Aber erst in den 2000er Jahren, sagt Bulović, wurden Wissenschaftler geschickt darin, die Beobachtungsgabe des STM für das Design spezifischer Materialien zu nutzen.

Jetzt erwartet er, dass sich ein ähnlicher Prozess in MIT.nano entfaltet, wo Maschinen, die im Allgemeinen für hochspezialisierte Experimente verwendet wurden, zu vorgefertigten Werkzeugsätzen für den breiteren Einsatz werden.

Einer der Professoren, die vom Sehen zum Machen übergehen, ist Farnaz Niroui, SM ’13, PhD ’17, der gerade an die Ingenieurfakultät gekommen ist. Sie ist in der Lage, genau zu steuern, wie Elektronen in Materialien, die im Nanomaßstab entworfen wurden, miteinander interagieren. Das legt den Grundstein für Geräte, die viel energieeffizienter sind als das, was wir heute haben. In der Zwischenzeit dokumentieren die Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessorin Frances Ross und ihre Kollegen genau, was passiert, wenn sich bestimmte Arten von leitfähigen Molekülen selbst zu Nanodrähten organisieren. Wenn solche Erkenntnisse es ermöglichen, Drähte in neuen Materialien zu züchten, wer weiß dann, welche elektronischen Geräte daraus hergestellt werden?

Bulović, um ein weiteres Beispiel zu nennen, greift nach einem Stück Plastik mit schwarzen Rechtecken darauf. Es ist ein Prototyp einer flexiblen, aber hocheffizienten Art von Solarzelle, die mehr Lichtwellenlängen absorbiert als heutige Photovoltaikgeräte. Um es herzustellen, mussten Wissenschaftler an den molekularen Eigenschaften von Mineralien basteln, die als Perowskite bekannt sind und Sonnenenergie gewinnen können. Bulović sagt, dass Leute, die in den kommenden Jahren am MIT.nano vorbeigehen, einen Blick hineinwerfen und sehen könnten, wie Wissenschaftler perowskitreiche Pasten auf Plastikfolien schmieren, während sie versuchen, die Technologie zu perfektionieren.

  MIT.nano-Direktor und Ingenieurprofessor Vladimir Bulovic.

MIT.nano-Direktor und Ingenieurprofessor Vladimir Bulović. Bob O’Connor

Bulović erwähnt diese Möglichkeit, um die Forschung zu sauberer Energie hervorzuheben, die durch die interdisziplinären Programme des MIT wie GridEdge Solar verfolgt wird, die darauf abzielen, die Produktion von leichten, flexiblen Solarzellen zu steigern. Aber er erwähnt auch die transparente Natur von MIT.nano. Vieles, was im Inneren passieren wird, abgesehen von der biologischen Forschung, wird eine Fortsetzung der Arbeit sein, die seit Jahren in den Labors für Mikrosystemtechnik aktiv ist – einer Abteilung, die Bulović, Reif und Probst Martin Schmidt jeweils einmal geleitet haben. Aber hier, sagt Bulović, werden die Dinge offener sein.

Bulović erinnert sich, dass er vor einigen Jahren von einem Filmregisseur besucht wurde, der sagte: Weißt du, Vladimir, ihr Jungs hier am MIT, ihr seid so etwas wie ein Kessel voller Geheimnisse. Das Zeug springt einfach aus dem Kessel, aber wir wissen nicht wirklich, was die Suppe ist. Zeig uns die Suppe! In diesem Sinne, sagt Bulović, gibt es überall Fenster.

Wir wollen sicherstellen, dass Sie einen Blick hineinwerfen können, sagt er. Sie werden nicht genau verstehen, was passiert, aber Sie werden Aktivitäten sehen. Sie werden Menschen sehen, die sich ihrem Handwerk verschrieben haben, und Sie werden staunen, wie sie es tun, X, Y oder Z.

Ebenso wichtig sei es, sagt er, dass die Menschen in den Reinräumen und anderen Labors nach draußen sehen. Wir sorgen dafür, dass Sie außerhalb von MIT.nano schauen und das Schimmern der Birken und das Wiegen des Bambus sehen können, sagt er. Es gibt eine Welt da draußen, die davon abhängt, dass du Dinge entwickelst, die wichtig sind.

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