Nanofibre mærker kræfter og hører lyde fra celler

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet en miniaturenhed, der er følsom nok til at mærke de kræfter, der genereres af svømmende bakterier og høre bankningen af ​​hjertemuskelceller.

Enheden er en optisk fiber i nanostørrelse, der er omkring 100 gange tyndere end et menneskehår. Det kan detektere kræfter ned til 160 femtonewtons - cirka ti billioner gange mindre end et newton - når de placeres i en opløsning, der indeholder levende Helicobacter pylori -bakterier, som er svømmebakterier, der findes i tarmen. I kulturer med at slå hjertemuskelceller fra mus, nano -fiberen kan registrere lyde ned til -30 decibel -et niveau, der er tusind gange under grænsen for det menneskelige øre.

"Dette arbejde kunne åbne nye døre for at spore små interaktioner og ændringer, der ikke kunne spores før, "sagde nanoengineering professor Donald Sirbuly ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, der ledede undersøgelsen.

Nogle applikationer, han forestiller sig, omfatte påvisning af tilstedeværelse og aktivitet af en enkelt bakterie; overvågning af bindinger, der dannes og brydes; føler ændringer i en celles mekaniske adfærd, der kan signalere, at den bliver kræft eller bliver angrebet af en virus; eller et mini -stetoskop til overvågning af cellulær akustik in vivo.

Værket er udgivet i Natur fotonik den 15. maj.

Den optiske fiber udviklet af Sirbuly og kolleger er mindst 10 gange mere følsom end atomkraftmikroskopet (AFM), et instrument, der kan måle uendeligt små kræfter genereret af interaktive molekyler. Og mens AFM'er er omfangsrige enheder, denne optiske fiber er kun flere hundrede nanometer i diameter. "Det er en mini AFM med følsomheden af ​​en optisk pincet, "Sagde Sirbuly.

Enheden er fremstillet af en ekstremt tynd fiber af tindioxid, belagt med et tyndt lag af en polymer, kaldet polyethylenglycol, og besat med guld nanopartikler. For at bruge enheden, forskere dypper den nano optiske fiber i en opløsning af celler, sende en lysstråle ned ad fiberen og analysere de lyssignaler, den sender ud. Disse signaler, baseret på deres intensitet, angive, hvor meget kraft eller lyd fiberen optager fra de omgivende celler.

"Vi er ikke bare i stand til at opfange disse små kræfter og lyde, vi kan kvantificere dem ved hjælp af denne enhed. Dette er et nyt værktøj til højopløselig nanomekanisk sondering, "Sagde Sirbuly.

Sådan fungerer enheden:når lyset bevæger sig ned ad den optiske fiber, det interagerer stærkt med guld nanopartikler, som derefter spreder lyset som signaler, der kan ses med et konventionelt mikroskop. Disse lyssignaler viser sig ved en bestemt intensitet. Men den intensitet ændres, når fiberen placeres i en opløsning, der indeholder levende celler. Kræfter og lydbølger fra cellerne rammer guld -nanopartiklerne, skubbe dem ind i polymerlaget, der adskiller dem fra fiberens overflade. Ved at skubbe nanopartikler tættere på fiberen kan de interagere stærkere med lyset, der kommer ned i fiberen, dermed øges intensiteten af ​​lyssignalerne. Forskere kalibrerede enheden, så de kunne matche signalintensiteterne til forskellige niveauer af kraft eller lyd.

Nøglen til at få dette til at fungere er fiberens polymerlag. Det fungerer som en springmadras, der er følsom nok til at blive komprimeret til forskellige tykkelser af de svage kræfter og lydbølger, der produceres af cellerne. Og Sirbuly siger, at polymerlaget kan indstilles - hvis forskere vil måle større kræfter, de kan bruge en stivere polymercoating; for øget følsomhed, de kan bruge en blødere polymer som en hydrogel.

Bevæger sig fremad, forskere planlægger at bruge nanofibrene til at måle bioaktivitet og den enkeltes celles mekaniske adfærd. Fremtidige værker omfatter også forbedring af fibrernes "lytter" -kapacitet til at skabe ultrafølsomme biologiske stetoskoper, og indstilling af deres akustiske reaktion for at udvikle nye billeddannelsesteknikker.