Verdens mindste sensor måler planters vækstkraft, dyr og mennesker

Hvordan visualiserer du de ekstremt små kræfter, der er forbundet med processer såsom embryonal vækst og udvikling? Forskere ved Wageningen har eksperimenteret med en kombination af laserteknologi og kemi, komme med en sensor bestående af et enkelt molekyle, der er et par hundrede gange mere nøjagtig end eksisterende enheder, der bruges til at måle nanokræfter på molekylært niveau. Forskerne beskriver deres resultater i 18. januar-udgaven af ​​det videnskabelige tidsskrift Chem .

De kræfter, som molekyler oplever i celler, men også i alle materialer omkring os, er så små, at selv de mest nøjagtige eksisterende måleapparater knap er i stand til at opdage, om det overhovedet er en kraft. "Indtil nu, alt var sort eller hvidt, enten var der en kraft eller også var der ikke - eksisterende metoder kunne ikke bestemme noget derimellem, siger Joris Sprakel, forskergruppeleder på Sprakel Lab og gruppen Fysisk kemi og blød stof ved Wageningen University &Research. "Med et team på tre unge forskere og en avanceret studerende har vi samlet forskellige ekspertiseområder. Og vi fik den idé, at det skulle være teoretisk muligt at detektere kræfterne på molekylært niveau ved at bruge selve molekylet som en nano-måleapparat. Vi måler ikke længere sort eller hvid, men 'fifty shades of grey' så at sige."

Udtrykt i tekniske termer, at føle kraften af ​​et molekyle har en opløsning på 100 femtonewtons. Som en kraft, dette er skrevet som 0.0000000000001 newton (1 newton føles som omkring 100 gram). "Men et molekyle er også utroligt lille, omkring en nanometer, eller en milliontedel af en millimeter, " siger Joris Sprakel. "Denne kraft på hundrede femtonewtons, der trykker på et molekyle på en nanometer, kan sammenlignes med kraften af ​​et sandkorn på en persons skulder. Og vi kan måle så små kræfter med de relationer, der er en milliard gange mindre."

Ved hjælp af den nye målemetode, forskerne fik mere indsigt i de kræfter, der er aktive på molekylært niveau i planters levende celler, dyr og mennesker. "For eksempel, i den embryonale udvikling af planteceller, vi ved, at små kræfter bestemmer, hvornår en celle deler sig og i hvilken retning. Så i sidste ende, disse mekaniske stimuli bestemmer, hvordan planteembryoet udvikler sig, men indtil nu har det ikke været muligt at måle dette, " siger Sprakel. "Tidligere, vi havde ingen direkte adgang til fysiske fænomener på denne skala, og hvis du ikke kan se det, det er næsten umuligt at forstå, hvordan det fungerer. Hvis du forstår nanokræfternes rolle i biologiske processer, På lang sigt, det kan være muligt at forhindre visse sygdomme på grund af fejl i disse cellekræfter. Men dette er stadig noget for fremtiden; vi har nu demonstreret, hvordan vi kan måle den slags 'umålelige' kræfter. I mit team, vi arbejder i øjeblikket på at anvende denne tilgang til cellulære processer."

Molekyle som måleinstrument

Ifølge Joris Sprakel, tager denne slags følsomme, målinger i lille målestok er ikke mulige med et stort måleapparat i en celle. Forskerne skabte derfor molekyler, der fungerer som måleinstrumenter. Hver af de molekylære sensorer lavet af holdet fungerer som en nano-kraftmåler. For at måle molekylet og bestemme kraften, forskerne skinner en laser på et molekyle. Dette molekyle returnerer lyset i en anden nuance, giver forskerholdet mulighed for at bestemme mængden af ​​kraft. Afgørende, derfor, metoden består ikke kun af et nyt molekyle eller et nyt instrument, men af ​​en kombination af de to.

"Vi havde brug for et stærkt tværfagligt team til dette, "siger Sprakel." Dette gennembrud blev opnået ved den unikke kombination af fire unge forskere i mit team, hver med deres eget ekspertiseområde. It meant we were finally able to realise this long-cherished dream."