Alt sammen pakket ind:Forskeres grafenkappe beskytter bakterier

(PhysOrg.com) - Det er en kappe, der overgår alle andre:En mikroskopisk kulstofkappe lavet af grafen, der kan ændre måden, hvorpå bakterier og andre celler afbildes.

Vikas Berry, assisterende professor i kemiteknik ved Kansas State University, og hans forskerhold pakker bakterier ind med grafen for at løse aktuelle udfordringer med billeddannelse af bakterier under elektronmikroskoper. Berrys metode skaber en kulstofkappe, der beskytter bakterierne, giver dem mulighed for at blive afbildet i deres naturlige størrelse og øger billedets opløsning.

Graphen er en form for kulstof, der kun er et atom tykt, giver det flere vigtige egenskaber:det er uigennemtrængeligt, det er det stærkeste nanomateriale, den er optisk gennemsigtig og den har høj termisk ledningsevne.

"Graphene er næste generations materiale, " sagde Berry. "Selvom kun et atom tykt, grafen tillader ikke selv de mindste molekyler at passere igennem. Desuden, den er stærk og meget fleksibel, så den kan tilpasse sig enhver form."

Berrys team har forsket i grafen i tre år, og Berry så for nylig en sammenhæng mellem grafen og cellebilledforskning. Fordi grafen er uigennemtrængeligt, han besluttede at bruge materialet til at bevare størrelsen af ​​bakterieceller afbildet under højvakuum elektronmikroskoper.

Forskningsresultaterne vises i papiret "Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria, ", der blev offentliggjort i en nylig udgave af Nano bogstaver , et månedligt videnskabeligt tidsskrift udgivet af American Chemical Society. Teamets foreløbige forskning optrådte i Nature News i 2010.

Den aktuelle udfordring med cellebilleddannelse opstår, når forskere bruger elektronmikroskoper til at afbilde bakterieceller. Fordi disse mikroskoper kræver et højt vakuum, de fjerner vand fra cellerne. Biologiske celler indeholder 70 til 80 procent vand, og resultatet er en stærkt krympet celle. Som resultat, det er udfordrende at få et nøjagtigt billede af cellerne og deres komponenter i deres naturlige tilstand.

Men Berry og hans team skabte en løsning på billedudfordringen ved at anvende grafen. Grafenen fungerer som en uigennemtrængelig kappe omkring bakterierne, så cellerne holder på vand og ikke krymper under elektronmikroskopernes høje vakuum. Dette giver et mikroskopisk billede af cellen i dens naturlige størrelse.

Kulstofkapperne kan vikles rundt om bakterierne ved hjælp af to metoder. Den første metode involverer at lægge et ark grafen oven på bakterierne, meget som at dække op med et lagen. Den anden metode går ud på at pakke bakterierne ind med en grafenopløsning, hvor grafenpladerne svøber bakterierne. I begge tilfælde blev grafenpladerne funktionaliseret med et protein for at øge bindingen til bakteriecellevæggen.

Under det høje vakuum af et elektronmikroskop, de indpakkede bakterier ændrede sig ikke i størrelse i 30 minutter, giver forskerne tid nok til at observere dem. Dette er et direkte resultat af grafenkappens høje styrke og uigennemtrængelighed, sagde Berry.

Grafens andre ekstraordinære egenskaber forbedrer billedopløsningen i mikroskopi. Dens elektrongennemsigtighed muliggør en ren billeddannelse af cellerne. Da grafen er en god leder af varme og elektricitet, den lokale elektroniske opladning og opvarmning ledes af grafenkappen, giver et klart overblik over bakteriecellens brønd. Uindpakkede bakterieceller fremstår mørke med en cellevæg, der ikke kan skelnes.

"Unikt, grafen har alle de egenskaber, der er nødvendige for at afbilde bakterier i høj opløsning, "Berry sagde." Projektet giver en meget enkel vej til billedprøver i deres oprindelige våde tilstand. "

Processen har potentiale til at påvirke fremtidig forskning. Forskere har altid haft problemer med at observere væskeprøver under elektronmikroskoper, men at bruge carbonkapper kunne give dem mulighed for at afbilde våde prøver i et vakuum. Grafens stærke og uigennemtrængelige egenskaber sikrer, at indpakkede celler nemt kan afbildes uden at forringe dem. Berry sagde, at det kunne være muligt i fremtiden at bruge grafen til at holde bakterien i live i et vakuum, mens man observerer dens biokemi under et mikroskop.

Forskningen baner også vejen for forbedret proteinmikroskopi. Proteiner virker forskelligt, når de er tørre, og når de er i en vandig opløsning. Hidtil er de fleste proteinundersøgelser blevet udført i tørre faser, men Berrys forskning kan muligvis observere proteiner mere i vandige miljøer.

"Denne forskning kunne være udviklingspunktet for behandling af følsomme prøver med grafen for at opnå forbedret billeddannelse, " sagde Berry.