[논문 리뷰] Optical transparency and electrical conductivity of single-wall carbon nanotubes and of intermediate filaments of porcine Müller cells

Igor Khmelinskii, Vladimir I. Makarov|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 21.

Photoreceptor and optogenetics research참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 돼지 مول러 세포의 중간 필라멘트(IFs)와 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNTs)가 높은 광투과성과 낮은 전기 저항을 보이며, 스펙트럼 선택성을 갖는 축 방향 빛 전달이 효율적임을 실험적으로 입증한다. 측정된 IFs의 감소된 저항률은 (3.1±0.3)×10⁻⁴ 옴·m⁻¹·cm²이며, SWCNTs는 (2.8±0.2)×10⁻⁴ 옴·m⁻¹·cm²로, 금속 수준과 유사하여 역행성 망막에서 고대비 시각 기전의 역할을 뒷받침한다.

ABSTRACT

In the present study, we continue investigation of the high-contrast vision in the inverted retina of the vertebrates eyes. We report a method of separation and purification of porcine (Sus scrofa domestica) intermediate filaments (IFs), extracted from the retinal Müller cells (MCs). We also report experimental and theoretical methods of measurements and calculations of the reduced resistivity and light transmission by the IFs and single-wall carbon nanotubes (SWCNTs). The measured reduced resistivity values were (3.1+-0.3)*10^-4 and (2.8+-0.2)*10^-4 Ohm m^-1 cm^2, respectively, being quite close to those of typical metals. We report a method for measuring the light energy transmission by the intermediate filaments and single-wall carbon nanotubes. We found that these structures efficiently transfer light energy along its axis, with the light reemitted at the other end of the structure. We also report spectral selectivity of the IFs. The reported results demonstrate that the assumptions we made in deducing the theory of high-contrast vision in an inverted retina were correct and fully supported by the presently reported experimental results.

연구 동기 및 목표

• 돼지 망막 모루 세포에서 중간 필라멘트(IFs)를 분離하고 순수화하여 생물물리적 특성을 분석하기.
• IFs와 SWCNTs의 전기 저항률 및 광투과성 특성을 측정하고 모델링하기.
• 역행성 망막에서 IFs가 빛 유도 및 전기 전도성에 의해 고대비 시각을 지원한다는 가설을 검증하기.
• 생체 고분자 및 나노튜브에서 감소된 저항률과 빛 에너지 전달을 정량화하기 위한 실험적 및 이론적 방법 수립하기.
• 직접 측정을 통해 이전의 이론적 가정, 즉 망막 구조에서 빛과 전하의 이동 메커니즘을 검증하기.

제안 방법

• 돼지 망막 모루 세포에서 중간 필라멘트의 분離 및 순수화를 위한 생화학적 절차를 개발하였다.
• 전기 저항률은 사점 프로브 방법을 사용하여 측정하였으며, 감소된 저항률는 공식 ρ_red = ρ / (d²)를 사용하여 계산하였다. 여기서 ρ는 저항률이고 d는 직경이다.
• 축 방향으로의 빛 에너지 전달은 레이저 소스와 원거리 끝단의 광검출기를 사용하여 측정하였다.
• 가시광선 영역에서 스펙트럼 전달 특성을 분석하여 파장에 따른 빛 재방출 및 선택성 평가를 수행하였다.
• 실험 데이터를 해석하고 빛 및 전하 이동의 물리적 메커니즘을 확인하기 위해 이론적 모델링을 사용하였다.
• 신뢰성을 확보하기 위해 저항률 및 전달 측정에 통계적 오차 분석을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 돼지 모루 세포에서 유래한 중간 필라멘트는 금속 수준의 전기 전도성을 보이는가?
• RQ2 중간 필라멘트와 SWCNTs는 손실을 최소화하면서 축 방향으로 빛 에너지를 효율적으로 전달할 수 있는가?
• RQ3 모루 세포의 중간 필라멘트에서 빛 전달 특성에 스펙트럼 선택성이 존재하는가?
• RQ4 측정된 전기적 및 광학적 특성은 역행성 망막에서 고대비 시각의 이론적 모델을 지지하는가?
• RQ5 분리된 IFs와 SWCNTs의 감소된 저항률은 얼마이며, 기존 도전체와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• 돼지 모루 세포의 중간 필라멘트의 감소된 저항률은 (3.1±0.3)×10⁻⁴ 옴·m⁻¹·cm²로 측정되어 높은 전기 전도성을 나타낸다.
• 단일벽 탄소 나노튜브의 감소된 저항률은 (2.8±0.2)×10⁻⁴ 옴·m⁻¹·cm²로, 금속에서 관찰되는 값에 가까운 것으로 나타났다.
• IFs와 SWCNTs 모두 축 방향으로 빛 에너지 전달이 효율적으로 이루어졌으며, 원거리 끝단에서 재방출 현상이 관찰되었다.
• 중간 필라멘트는 빛 전달에서 스펙트럼 선택성을 보이며, 파장에 따라 변하는 광학적 특성을 지닌 것으로 나타났다.
• 실험 결과는 척추동물의 역행성 망막에서 고대비 시각 기제에 대한 이론적 프레임워크를 완전히 지지한다.
• 연구 결과는 모루 세포의 세 cytoskeletal 필라멘트가 망막 신호 처리에서 이중 전기 및 광학 도체로 작용할 수 있다는 가설을 검증한다.