Måling af kræfter fra levende celler og mikroorganismer

Kræfter udøvet af en levende celle eller en mikroorganisme er små, ofte ikke større end nogle få nanonewton. Til sammenligning, en nanonewton er vægten af ​​en del i en milliard af en typisk chokoladebar. Endnu, for biologiske celler og mikrober, disse kræfter er nok til at tillade celler at klæbe til en overflade eller mikrober til at drive sig selv mod næringsstoffer. Forskere fra Finland og Tyskland præsenterer nu en meget tilpasningsdygtig teknik, der bruger mikropipettekraftsensorer til præcist at måle de kræfter, der udøves af en lang række organismer i mikronstørrelse. Denne nye metode er nu udgivet i Naturprotokoller .

For at holde sig i live og sprede sig, en biologisk celle skal tilpasse sig sine miljøforhold. Evnen til at gøre det involverer fysiske principper og mekaniske kræfter. Celler kan binde sig til overflader og andre celler for til sidst at danne en biofilm, en struktur, som beskytter cellefællesskabet mod ydre angreb. Mange mikroorganismer kan aktivt bevæge sig selv ved at kravle på en overflade eller svømme i væske, for eksempel, mod en kilde til næringsstoffer. For at fremme forståelsen af ​​mikrobemotilitet, det er vigtigt at måle de mekaniske kræfter, der er forbundet med deres bevægelse.

Udviklingen af ​​mikropipettekraftsensorer til at måle kræfter fra levende celler og mikroorganismer er beskrevet i et fælles arbejde af Dr. Matilda Backholm og Dr. Oliver Bäumchen. "Arbejdsprincippet for mikropipettekraftsensorteknikken er smukt simpelt:Ved optisk at observere afbøjningen af ​​en kalibreret mikropipette, kræfterne, der virker på pipetten, kan måles direkte, siger Matilda Backholm, forsker ved Institut for Anvendt Fysik ved Aalto Universitet i Finland.

En mikropipette er en hul glasnål med en tykkelse på omkring diameteren af ​​et menneskehår eller endnu mindre. En af de mest bemærkelsesværdige fordele ved denne teknik er, at den kan anvendes på en lang række biologiske systemer, lige fra en enkelt celle til en millimeter stor mikroorganisme. "Vi eksemplificerede alsidigheden af ​​vores metode ved hjælp af to modelsystemer fra mikrobiologi, men bestemt, Teknikken kan og vil blive anvendt på andre biologiske systemer i fremtiden, " siger Oliver Bäumchen, forskningsgruppeleder ved Max Planck Institute of Dynamics and Self-Organisation i Göttingen, Tyskland.

"Idéen bag teknikken er at kombinere fordelene ved flere etablerede biofysiske teknikker. Vi bruger en mikropipette til at få fat i en levende celle på nøjagtig samme måde, som det gøres ved in vitro-befrugtning, og studere de mekaniske kræfter ved at måle pipettens afbøjning ved hjælp af de måleprincipper, der ligger til grund for atomkraftmikroskopi - en standardmåleteknik i fysik, " siger Bäumchen.

Dr. Backholm påpeger en anden stor fordel:"I modsætning til andre kraftmålingsmetoder, vi registrerer afbøjningen af ​​vores meget følsomme mikropipette blot ved at observere den med et avanceret mikroskop. Dette giver os mulighed for at inspicere formen og bevægelsen af ​​mikroorganismen med høj optisk opløsning, mens vi måler kræfterne samtidigt."

Under alt dette, cellen eller mikroorganismen er fuldstændig intakt og levende, som giver mulighed for at teste dens reaktion på lægemidler såvel som næringsstoffer, temperatur og andre miljøfaktorer. "Kraftopløsningen er virkelig bemærkelsesværdig. Med vores seneste teknologiske fremskridt, det lykkedes os at detektere kræfter ned til omkring ti piconewtons, som er næsten lige så godt som et atomkraftmikroskop, " siger Dr. Bäumchen.

Forskerne forventer, at deres metode vil blive anvendt i andre forskningslaboratorier i fremtiden for at tackle vigtige biofysiske spørgsmål, sigter mod bedre forståelse af cellers og mikroorganismers biologiske funktioner, såvel som deres underliggende fysiske principper. Dr. Backholm påpeger, at disse forskningsmuligheder faktisk kan fremme biomedicinske og bioteknologiske anvendelser:"Mikropipettekraftsensorteknikken kan hjælpe med at identificere lægemidler til bekæmpelse af infektionssygdomme og hæmme dannelsen af ​​biofilm på medicinske implantater, bare for at nævne nogle få eksempler, hvor denne nye tilgang kan have en betydelig indflydelse."