ثنائي الذهب والماس يقيس حرارة خلية فردية

ثمة طرق معتمَدة لقياس حرارة الخلية عبر استعمال البروتينات المتوهجة أو أنابيب الكربون النانوية. لكن تفتقر تلك الطرق إلى الحساسية والدقة لأن مكوناتها تستطيع التفاعل مع العناصر الموجودة داخل الخلية.

لجأ ميخائيل لوكين وزملاؤه من جامعة هارفارد إلى ماس النانو المليء بالشوائب في بنيته، بمعنى أنه يحتوي أحياناً على إلكترونات إضافية. يبدو أن ميل تلك الإلكترونات إلى التواجد في حالات متعددة في الوقت نفسه، على شكل تراكب معين، يجعل ماس النانو واعداً بقدر وحدات القياس في الحاسوب الكمي حيث يساهم التراكب في إجراء حسابات متعددة. لكن تتفاوت تلك الحالات بحسب الحرارة، وهو أمر مزعج في مجال الحوسبة.

تساءل فريق لوكين عن احتمال استغلال ذلك الاتكال على الحرارة لصنع ميزان حرارة، لا سيما حين يكون الماس جامداً ولا يتدخل في كيمياء الخلية.

استعمل فريق البحث أسلاك النانو لدس الماس على مسافة 100 نانومتر تقريباً، إلى جانب جزئيات نانو ذهبية داخل خلية بشرية في طبق. كان يكفي بث أشعة الليزر على الخلية لتسخينها مع جزيئات الذهب. في المقابل، تغير شكل الماس فتزايد الضغط على الإلكترونات الشائبة وأُعيد ترتيب مستويات طاقتها.

عند استعمال نوع مختلف من الليزر على الخلية، تمتص الإلكترونات الضوء ثم تبثه بلمعان يتوقف على ترتيب مستويات الطاقة الجديد. استعمل فريق العمل هذا الضوء لتخفيض حرارة الخلية.

اختلافات الحرارة

لاحظ الباحثون أنهم يستطيعون رصد اختلافات الحرارة التي تقتصر على 0.0018 درجة مئوية داخل الخلية، وهو رقم قياسي من حيث الحساسية. وحين وضعوا ماستين في الخلية، استطاعوا رصد اختلافات الحرارة بينهما بسبب قربهما المتفاوت من الذهب. يُفترض أن تكون العملية ممكنة حتى إذا كانت المسافة الفاصلة بين الماستين تقتصر على 200 نانومتر.

استعمل فريق البحث أيضاً تلك العملية لتسخين خلية بدرجة كافية لقتلها وسجّل العلماء الحرارة عند موتها. طرح لوكين البحث في خلال المؤتمر الدولي الثاني للتكنولوجيا الكمية في موسكو، روسيا، وفي مجلة «نيتشر» أخيراً.

إذا تمكنا من استعمال ميزان حرارة مماثل في الجسم، قد يتحسن علاج السرطان بحسب زميل لوكين، نورمان ياو. يمكن مراقبة حرارة الخلايا السرطانية والخلايا السليمة المجاورة لها وبث حرارة كافية للقضاء على السرطان وحده من دون إيذاء الخلايا السليمة.

يقول غلين غودريتش من شركة «نانوسبكترا للعلوم البيولوجية» في هيوستن، تكساس (شركة تُجري تجارب بشرية على علاج السرطان استناداً إلى جزئيات النانو الذهبية): «في بعض الحالات، لا سيما بالقرب من البنى الأساسية مثل الأوعية الدموية الكبيرة أو الشرايين أو الحزم العصبية، من المفيد تحليل حرارة الخلية الموضعية بشكل دقيق لتجنب إيذاء تلك البنى».

كذلك، يمكن أن يستكشف ميزان حرارة الماس ألغاز الخلايا. يقول لوكين: «إذا كانت الخلية منزعجة وإذا احتكّت بفيروس معين، ينطلق رد فعل كيماوي ويبدأ بإنتاج الحرارة موضعياً».