Kväveoxid är en viktig signalmolekyl i kroppen, med en roll i att bygga nervsystemförbindelser som bidrar till inlärning och minne. Den fungerar också som en budbärare i hjärt- och kärlsystemet och immunförsvaret.

Men det har varit svårt för forskare att studera exakt vad dess roll är i dessa system och hur det fungerar. Eftersom det är en gas, det har inte funnits något praktiskt sätt att rikta det till specifika individuella celler för att observera dess effekter. Nu, ett team av forskare och ingenjörer vid MIT och på andra håll har hittat ett sätt att generera gasen på exakt riktade platser inuti kroppen, potentiellt öppna nya forskningsområden om denna väsentliga molekyls effekter.

Fynden redovisas i tidskriften Naturens nanoteknik , i en artikel av MIT-professorerna Polina Anikeeva, Karthish Manthiram, och Yoel Fink; doktorand Jimin Park; postdoc Kyoungsuk Jin; och 10 andra på MIT och i Taiwan, Japan, och Israel.

"Det är en mycket viktig förening, "Säger Anikeeva. Men att räkna ut sambandet mellan tillförsel av kväveoxid till specifika celler och synapser, och de resulterande effekterna på högre nivå på inlärningsprocessen har varit svåra. Än så länge, de flesta studier har tillgripit att titta på systemiska effekter, genom att slå ut gener som är ansvariga för produktionen av enzymer som kroppen använder för att producera kväveoxid där det behövs som budbärare.

Men det tillvägagångssättet, hon säger, är "mycket brutal kraft. Detta är en hammare för systemet eftersom du slår ut det inte bara från en specifik region, låt oss säga i hjärnan, men du slår i princip ut det från hela organismen, och detta kan ha andra biverkningar. "

Andra har försökt att införa föreningar i kroppen som frigör kväveoxid när de sönderdelas, som kan ge något mer lokaliserade effekter, men dessa sprider sig ändå, och det är en mycket långsam och okontrollerad process.

Teamets lösning använder en elektrisk spänning för att driva reaktionen som producerar kväveoxid. Detta liknar vad som händer i mycket större skala med vissa industriella elektrokemiska produktionsprocesser, som är relativt modulära och kontrollerbara, möjliggör lokal och on-demand kemisk syntes. "Vi har tagit det konceptet och sagt, vet du vad? Du kan vara så lokal och så modulär med en elektrokemisk process att du till och med kan göra detta på cellnivå, "Manthiram säger." Och jag tycker att det som är ännu mer spännande med det här är att om du använder elektrisk potential, du har förmågan att starta produktion och stoppa produktionen på ett ögonblick."

Teamets viktigaste prestation var att hitta ett sätt för denna typ av elektrokemiskt kontrollerad reaktion att fungera effektivt och selektivt på nanoskala. Det krävde att man hittade ett lämpligt katalysatormaterial som kunde generera kväveoxid från ett benignt prekursormaterial. De fann att nitrit erbjöd en lovande prekursor för elektrokemisk kväveoxidgenerering.

"Vi kom på idén att göra en skräddarsydd nanopartikel för att katalysera reaktionen, "Jin säger. De fann att de enzymer som katalyserar kväveoxidgenerering i naturen innehåller järn-svavelcentra. Hämtar inspiration från dessa enzymer, de utarbetade en katalysator som bestod av nanopartiklar av järnsulfid, som aktiverar den kväveoxidbildande reaktionen i närvaro av ett elektriskt fält och nitrit. Genom att ytterligare dopa dessa nanopartiklar med platina, teamet kunde förbättra sin elektrokatalytiska effektivitet.

För att miniatyrisera den elektrokatalytiska cellen till skalan av biologiska celler, teamet har skapat anpassade fibrer som innehåller de positiva och negativa mikroelektroderna, som är belagda med järnsulfidnanopartiklar, och en mikrofluidkanal för leverans av natriumnitrit, prekursormaterialet. När det implanteras i hjärnan, dessa fibrer leder prekursorn till de specifika neuronerna. Då kan reaktionen aktiveras efter behag elektrokemiskt, genom elektroderna i samma fiber, producerar en omedelbar skur av kväveoxid precis vid den platsen så att dess effekter kan registreras i realtid.

Som ett test, de använde systemet i en gnagarmodell för att aktivera en hjärnregion som är känd för att vara ett belöningscentrum för motivation och social interaktion, och det spelar roll vid missbruk. De visade att det verkligen provocerade fram de förväntade signalsvaren, visar dess effektivitet.

Anikeeva säger att detta "skulle vara en mycket användbar biologisk forskningsplattform, för äntligen, människor kommer att ha ett sätt att studera rollen av kväveoxid på nivån av enstaka celler, i hela organismer som utför uppgifter." Hon påpekar att det finns vissa störningar som är förknippade med störningar av kväveoxidens signalväg, så mer detaljerade studier av hur denna väg fungerar kan hjälpa till att leda till behandlingar.

Metoden kan vara generaliserbar, Park säger, som ett sätt att producera andra molekyler av biologiskt intresse i en organism. "I huvudsak kan vi nu ha det här riktigt skalbara och miniatyriserade sättet att generera många molekyler, så länge vi hittar rätt katalysator, och så länge vi hittar en lämplig utgångsförening som också är säker. "Detta tillvägagångssätt för att generera signalmolekyler in situ kan ha stora tillämpningar inom biomedicin, han säger.

"En av våra granskare för detta manuskript påpekade att detta aldrig har gjorts - elektrolys i ett biologiskt system har aldrig utnyttjats för att kontrollera biologisk funktion, "Anikeeva säger." Så, detta är i grunden början på ett område som potentiellt kan vara mycket användbart" för att studera molekyler som kan levereras på exakta platser och tider, för studier i neurobiologi eller andra biologiska funktioner. Den förmågan att göra molekyler på begäran inuti kroppen kan vara användbar inom områden som immunologi eller cancerforskning, hon säger.

Projektet startade som ett resultat av en tillfällig konversation mellan Park och Jin, som var vänner som arbetade inom olika områden – neurobiologi och elektrokemi. Deras inledande tillfälliga diskussioner ledde till ett fullt utvecklat samarbete mellan flera avdelningar. Men i dagens låsta värld, Jin säger, sådana tillfälliga möten och samtal har blivit mindre sannolika. "I sammanhanget av hur mycket världen har förändrats, om detta vore i den här eran då vi alla är åtskilda från varandra, och inte 2018, det finns en chans att det här samarbetet kanske inte någonsin har hänt."