一氧化氮是体内重要的信号分子，在建立有助于学习和记忆的神经系统连接中发挥作用。它还可以作为心血管和免疫系统的信使。但是研究人员很难准确研究它在这些系统中的作用以及它是如何运作的。由于它是一种气体，因此没有实用的方法可以将其引导至特定的单个细胞以观察其影响。现在，麻省理工学院和其他地方的一组科学家和工程师找到了一种在体内精确定位的位置产生气体的方法，这可能为这种基本分子的作用开辟新的研究方向。
研究结果发表在《自然纳米技术》杂志上，由麻省理工学院教授 Polina Anikeeva、Karthish Manthiram 和 Yoel Fink 撰写;研究生朴智敏;博士后Kyoungsuk Jin;和其他 10 人在麻省理工学院以及、和以色列。
“这是一种非常重要的化合物，”Anikeeva 说。但是，弄清楚一氧化氮向特定细胞和突触的传递与由此产生的对学习过程的更高层次的影响之间的关系一直很困难。到目前为止，大多数研究都通过敲除负责产生酶的基因来研究系统性影响，这些酶是人体用来产生一氧化氮作为信使的地方。
但是这种方法，她说，“非常暴力。这是对系统的一个锤子，因为你不仅仅是从一个特定的区域将它击倒，比如说在大脑中，但你基本上从整个有机体中击倒了它，这可能会产生其他副作用。”
其他人曾尝试将化合物引入体内，在分解时释放一氧化氮，这会产生更多局部效应，但这些效应仍然会扩散，这是一个非常缓慢且不受控制的过程。
该团队的解决方案使用电压来驱动产生一氧化氮的反应。这类似于一些工业电化学生产过程在更大规模上发生的情况，这些过程相对模块化和可控，能够实现本地和按需化学合成。“我们采用了这个概念并说，你知道吗?你可以通过电化学过程实现如此本地化和模块化，你甚至可以在电池水平上做到这一点，”曼蒂拉姆说。“而且我认为更令人兴奋的是，如果你使用电势，你就有能力在心跳中开始生产和停止生产。”
该团队的主要成就是找到了一种方法，使这种电化学控制的反应在纳米尺度上高效且有选择性地运行。这需要找到一种合适的催化剂材料，该材料可以从良性前体材料中生成一氧化氮。他们发现亚硝酸盐为电化学一氧化氮生成提供了一种很有前途的前体。
“我们想出了制作定制纳米颗粒来催化反应的想法，”金说。他们发现在自然界中催化一氧化氮生成的酶含有铁硫中心。从这些酶中汲取灵感，他们设计了一种由硫化铁纳米颗粒组成的催化剂，该催化剂在电场和亚硝酸盐存在的情况下激活产生一氧化氮的反应。通过进一步用铂掺杂这些纳米粒子，该团队能够提高它们的电催化效率。
为了将电催化细胞小型化到生物细胞的规模，该团队创造了定制纤维，其中包含涂有硫化铁纳米颗粒的正极和负极微电极，以及用于输送亚硝酸钠(前体材料)的微流体通道。当植入大脑时，这些纤维会将前体引导至特定的神经元。然后可以通过同一纤维中的电极以电化学方式随意激活反应，在该点立即产生一氧化氮，以便实时记录其影响。
作为测试，他们在啮齿动物模型中使用该系统来激活一个大脑区域，该区域已知是动机和社交互动的奖励中心，并在成瘾中发挥作用。他们表明它确实激发了预期的信号反应，证明了它的有效性。
Anikeeva 说，这“将是一个非常有用的生物研究平台，因为最终，人们将有办法在执行任务的整个生物体中，在单细胞水平上研究一氧化氮的作用。” 她指出，某些疾病与一氧化氮信号通路的中断有关，因此对该通路如何运作进行更详细的研究可能有助于治疗。
Park 说，这种方法可以推广，作为在生物体内产生其他具有生物学意义的分子的一种方式。“基本上我们现在可以用这种真正可扩展和小型化的方式来产生许多分子，只要我们找到合适的催化剂，只要我们找到合适的起始化合物也是安全的。” 他说，这种原位产生信号分子的方法可以在生物医学中得到广泛应用。
“我们对这份手稿的一位审稿人指出，这从未做过——生物系统中的电解从未被用来控制生物功能，”Anikeeva 说。“因此，这基本上是一个可能非常有用的领域的开始”，用于研究可以在精确位置和时间传递的分子，用于神经生物学或任何其他生物学功能的研究。她说，这种在体内按需制造分子的能力可能在免疫学或癌症研究等领域很有用。
该项目是在 Park 和 Jin 之间的一次偶然对话中启动的，他们是在不同领域(神经生物学和电化学)工作的朋友。他们最初的随意讨论最终导致了几个部门之间的全面合作。但在今天这个封闭的世界里，金说，这样的偶遇和交谈变得不太可能了。“在世界发生了如此大的变化的背景下，如果这是在我们彼此分离的时代，而不是在 2018 年，这种合作可能永远不会发生。”