Projekta nosaukums: Ieraugot kustību: heksagonālais bora nitrīds nanokustības spektroskopijas integrēšanai ar fluorescences attēlveidošanu
Pētniecības pieteikuma nr: 1.1.1.9/LZP/1/24/138
Projekta ilgums: 01.02.2025.-31.01.2028.
Projekta vadītājs: Ph.D. Līga Jasulaņeca
Kopējais finansējums: 184 140 EUR
Eiropas Reģionālās attīstības fonda (ERAF) finansējums: 156 519 EUR
LU CFI finansējums: 9 207 EUR
Projekta kopsavilkums:
Nanomehāniskās vibrācijas var izmantot kā efektīvu rīku ātrai individuālas baktērijas antibiotiku rezistences noteikšanai, izmantojot kustību uztverošas grafēna nanobungas. Lai gan ar grafēnu var noteikt atsevišķu baktēriju kustību un dzīvotspēju, tā spēcīgā fluorescences signāla dzēšana apgrūtina nanokustības avota noteikšanu. Lai pārvarētu šo ierobežojumu, šajā projektā tiks pētīti alternatīvi divdimensionāli materiāli, lai izstrādātu jutīgus, miniaturizētus, elastīgus un bioloģiski saderīgus nanobungu sensorus, nodrošinot vienlaicīgu nanokustības un fluorescences signāla nolasīšanu.
Konkrēti, mēs piedāvājam izmantot heksagonālo bora nitrīdu (hBN), lai veiktu fluorescences attēlveidošanu marķētām baktērijām un vienlaikus mērītu to iekšējās vibrācijas, izmantojot optisko interferometriju. Analizējot nanobungu vibrāciju signālu izmaiņas, tiks korelēti optiskie un mehāniskie dati. Šī pieeja palielinās izpratni par baktēriju kustības signāla izcelsmi un ļaus attīstīt tehnoloģijas ātrākai atsevišķas šūnas antibiotiku rezistences noteikšanai.
PROJEKTA PROGRESS
Laikaposms: 01.04.2026. – 30.06.2026.
Tuvojoties projekta vidusposmam, galvenā uzmanība tika pievērsta mērījumos iegūto eksperimentālo datu analīzei, kā arī pirmās ar projektu saistītās zinātniskās publikācijas sagatavošanai.
Lai pielietotu divdimensionālas membrānas kā biomehāniskus nanokustības detektorus, ir jāspēj novērtēt to mehāniskās īpašības. Izmantotā optotermiskā mērījumu sistēma ļāva reģistrēt ļoti nelielas membrānas svārstības ar nanometru amplitūdu, ļaujot noteikt tādus parametrus kā nanobungas rezonanses frekvence, svārstību modas, kvalitātes faktors, Kopumā mehāniski tika raksturotas vairāk nekā 40 nanobungas.
Iegūtie rezultāti tuvina projekta mērķim – noskaidrot baktēriju nanokustības izcelsmi, izmantojot alternatīvus divdimensionālos materiālus. Lai gan projekta centrā ir uz heksagonālā bora nitrīda balstīti sensori, amorfā oglekļa monoslāņa membrānu izpēte nodrošina papildinošu pieeju, kas ir savietojama ar fluorescences mikroskopiju.
Šajā periodā turpinājās darbs pie pirmā ar projektu saistītā zinātniskā manuskripta pabeigšanas, kas tiek gatavots sadarbībā ar starptautiskajiem partneriem no Sauthemptonas Universitātes, Delftas Tehnoloģiju universitātes un Singapūras Nacionālās universitātes. Manuskripts ir veltīts suspendētu amorfā oglekļa monoslāņa membrānu dinamikai. Izmantojot optotermisku ierosmi un interferometrisku nolasīšanu, pētījumā tiek analizēta gan lineārā, gan nelineārā amorfā oglekļa nanobungu dinamika, tostarp termomehāniskā kustība, ierosinātās rezonanses, vairāku modu spektri, Dafinga tipa nelinearitātes, nelineārā dzišana un modu mijiedarbības pazīmes. Šie rezultāti parāda amorfā oglekla monoslāni kā mehāniski izturīgu membrānu platformu un sniedz nozīmīgas zināšanas plašākai projekta mērķa sasniegšanai — jutīgu, uz divdimensionāliem materiāliem balstītu nanokustību sensoru izstrādei.
Līdz šim iegūtie rezultāti tika izmantoti arī nākamo eksperimentālo soļu plānošanai. Tie ietver turpmāku nanobungu ierīču optimizāciju, baktēriju imobilizācijas procedūru pilnveidi un sagatavošanos sistemātiskiem eksperimentiem, kuros baktēriju nanokustības signāls tiks izolēts no apkārtējās vides trokšņa.
Laikaposms: 01.01.2026. – 31.03.2026.
Šajā projekta posmā ne tikai nostiprinājām metodes un pieejas baktēriju nanokustības eksperimentālai detektēšanai, bet arī stāstījām par projekta ideju – kā nomērīt mikroorganismu kustību ar nanobungām un ko tā nozīmē - plašākai starptautiskai sabiedrībai.
Plaša auditorija tika sasniegta, piedaloties Eiropas Komisijas organizētajā zinātnes komunikācijas pasākumā “Zinātne ir brīnišķīga!” (“Science is Wonderful!”) Briselē, kas norisinājās Marijas Sklodovskas-Kirī aktivitāšu ietvaros. Projekts tika prezentēts skolēniem, skolotājiem, pētniekiem un citiem apmeklētājiem trīs dienu garumā, izmantojot interaktīvu demonstrāciju par saikni starp skaņu un kustību. Aktivitāte iepazīstināja sabiedrību ar ideju, ka dzīvas šūnas un baktērijas rada ļoti niecīgas mehāniskas kustības, kuras iespējams noteikt ar jutīgiem nanomēroga sensoriem, kas tiek izgatavoti un raksturoti šajā pēcdoktorantūras projektā. Tas sniedza saistošu veidu, kā izskaidrot projekta plašāko mērķi: izstrādāt sensoru platformas, kas ļautu “klausīties” baktērijas un labāk izprast to aktivitātes izcelsmi, lai nākotnē šo informāciju izmantotu ātras antimikrobiālās rezistences sensoru izveidē.
Publiskā komunikācija tika atspoguļota arī “Horizon Magazine” rakstā, kur stāsts par baktēriju vibrācijām tika minēts kā viens no piemēriem, kā aktuālas zinātnes problēmas iepējams padarīt saprotamas bērniem un plašākai sabiedrībai. Tas veicināja projekta komunikācijas mērķu īstenošanu un palīdzēja nanokustību spektroskopiju prezentēt vienkāršā un atmiņā paliekošā veidā.
Neilgi pēc tam tika īstenota mobilitātes vizīte Delftas Tehnoloģiju universitātē sadarbībā ar Mikro un nanosistēmu dinamikas grupu. Vizītes laikā tika veikti papildu divdimensionālu membrānu dinamiskie mērījumi, tostarp ar monoslāņa amorfā oglekļa un heksagonālā bora nitrīda struktūrām. Mērījumi bija vērsti uz membrānu kustības interferometrisku raksturošanu un tika pētīts, kā detektētais signāls ir atkarīgs no eksperimentālajiem parametriem, piemēram, detektēšanas lāzera jaudas. Šie eksperimenti ir nozīmīgi turpmāko nanokustību mērījumu interpretācijai un ļauj izvērtēt, kā optiskās nolasīšanas apstākļi var ietekmēt membrānu mehānisko atbildi.
Tika apgūtas metodes darbam ar bioloģiskajiem paraugiem, tostarp baktēriju kultūru sagatavošana, uzsēšana uz platēm un uznešana uz nanobungām. Tika pētītas virsmas funkcionalizācijas pieejas baktēriju imobilizācijai, kas ir svarīgs solis, lai nodrošinātu, ka turpmākie nanokustību signāli rodas no baktēriju aktivitātes, nevis no nekontrolētas šūnu pārvietošanās pa virsmu.
Vizītes laikā līdz šim iegūtie projekta rezultāti tika prezentēti seminārā Delftas Tehnoloģiju universitātes Lietišķo zinātņu fakultātē. Prezentācija bija veltīta divdimensionāla amorfā oglekļa membrānu dinamiskajām īpašībām un to nozīmei nanokustību detektēšanā. Diskusijas ar pētniekiem, kas strādā nanomehānikas, divdimensionālo materiālu un biosensorikas jomās, palīdzēja precizēt nākamos soļus sensoru optimizācijai un bioloģisko mērījumu veikšanai.
Laikaposms: 30.04.2025. – 01.01.2026.
Turpmākajā projekta posmā tika turpināta eksperimentālo sensoru izstrāde un materiālu izpēte, paplašinot izmantoto divdimensionālo materiālu klāstu un nostiprinot starptautisko sadarbību.
2025. gada jūlijā mobilitātes vizītes laikā veicu sensoriem paredzētā materiāla – amorfā oglekļa – mehānisko un strukturālo īpašību izpēti, izvērtējot tā piemērotību nanokustības sensoru izgatavošanai. Tika analizētas membrānu mehāniskās īpašības un stabilitāte, lai noteiktu potenciālās priekšrocības nanokustības signālu noteikšanā.
Paralēli sensoru mehānisko īpašību noteikšanai, pievērsos baktēriju izpētei uz sensoru virsmas. Šim nolūkam tika izmantotas fluorescējošas E.coli baktērijas, kas uzrādīja intensīvu fluorescence, arī atrodoties uz sensoru virsmas.
Šos daudzsološos rezultātus prezentēju divdimensionāliem materiāliem un mikroskopijai un dzīvības zinātnēm veltītās konferencēs Portugālē, Bragā. Diskusiju laikā atklājās plašas divdimensionālu membrānu pielietojumu iespējas biosensorikā.
Nākamajā periodā tika padziļināti apgūta divdimensionālu amorfā oglekļa membrānu izgatavošana un pārnese uz iepriekš izveidotajām iedobumu struktūrām. Tika pilnveidotas membrānu pārneses procedūras, lai uzlabotu reproducējamību un mehānisko stabilitāti, kas ir kritiski svarīgi ilglaicīgiem nanokustības mērījumiem šķidrā vidē. Iegūtās zināšanas paplašina projektā izmantoto materiālu spektru un nodrošina alternatīvu pieeju nanokustības sensoru realizācijai.
Laikaposms: 01.02.2025. – 30.04.2025.
Projekts tika aizsākts ar mobilitātes vizīti uz Delftas Tehnoloģiju Universitāti Nīderlandē, kur kopā ar sadarbības partneriem no Dr. Farboda Alijani vadītās Mikro un nanosistēmu dinamikas grupas diskutējām par paredzēto bora nitrīda nanokustības sensoru izveidi un mērīšanu. Piedalījos vairākās sanāksmēs, iepazīstoties ar grupas dalībniekiem un potenciālajiem sadarbības partneriem no citām grupām, kas pēta gan heksagonālā bora nitrīda (hBN) pielietojumus biotehnoloģijās, gan citu divdimensionālu materiālu (piemēram, grafēna) pielietojumu nanokustību sensoros. Apguvu sausās pārneses metodi, ar kuras palīdzību kristāliskus divdimensionālus materiālus var pārnest uz vēlamajām vietām uz substrāta, izveidojot “nanobungas”. Tika izveidots viens nanobungu sensors, pārnesot aptuveni 60 nm plānu hBN plāksnīti uz iedobuma silīcija substrātā. Veiksmīgai projekta realizācijai un baktēriju nanokustības mērījumiem nepieciešams izveidot daudz šādu nanobungu, tāpēc turpmāk projektā jāattīsta metodes, lai vienlaicīgi varētu pārnest lielāka laukuma hBN.
Apguvu interferometrijas iekārtu, ar kuru tiks veikti nanokustības sensoru mērījumi. Interferometriskā detekcija balstās uz interferējošu lāzera staru izmaiņām – vienam atstarojoties no hBN virsmas, otram – no silīcija spoguļa substrātā. Lai optimizētu sensora jutību, aprēķināju sensoru dziļumu, kas atbilst intensīvākajam interferences signālam atkarībā no hBN biezuma.
Nākamajā mobilitātes vizītē aprīlī devos uz Delftu piedalīties konferencē Measuring by Light ar stenda referātu “Hexagonal Boron Nitride Nanodrums for Combined Nanomotion Spectroscopy and
Fluorescence Microscopy of Single Cells”. Konferencē tikās gan akadēmiskās, gan industriālās vides pārsāvji, lai dalītos ar idejām un tehnikām vibrāciju mērīšanai ar gaismas palīdzību. Projekta ideja korelēt vibrāciju mērījumus ar fluorescences mērījumiem, lai noteiktu nanokustības izcelsmes avotus baktērijās, tika uzņemta ar lielu interesi.
Cietvielu fizikas institūtā tika attīstīta metode iedobumu izveidei silīcija/silīcija dioksīda substrātos, kas nanobungu sensoros pilda divas būtiskas funkcijas – ļauj hBN plāksnei svārstīties un nodrošina atstarojošu virsmu interferometriskajai detekcijai. Substrāti tika izveidoti, izmantojot elektronu staru litogrāfiju un reaktīvo jonu kodināšanu.