Gone fishing:Forskere afbilder teknik trolde i stille cellulære hav

Erfarne lystfiskere ved, at uroligt vand gør det vanskeligt at fiske, så de prøver ikke at rokke båden. Takket være en ny mikroskopiteknik, cellebiologiforskere kan lytte til det samme råd.

University of Illinois forskere udviklede en metode, de kalder "trolling AFM, " som giver dem mulighed for at studere bløde biologiske prøver i væske med høj opløsning og høj kvalitet. Ledet af mekanisk videnskab og ingeniørprofessor Min-Feng Yu, gruppen offentliggjorde sine resultater i tidsskriftet Nanoteknologi .

"Vi udviklede en meget følsom metode til højopløselig billeddannelse af bløde biologiske prøver, såsom levende celler, i deres fysiologiske tilstand, " sagde Majid Minary, en nyuddannet fra Yus gruppe og første forfatter af papiret. Minary er nu professor ved University of Texas-Dallas. "Vi forbedrede kvalitetsfaktoren for almindelige atomkraftmikroskopi-billeddannelsesmetoder med to størrelsesordener, " sagde Minary.

Det udbredte atomkraftmikroskop giver billeder af bittesmå strukturer med høj opløsning på atomskala. AFM har en skarp sonde for enden af ​​en arm, kaldet en cantilever. Spidsen af ​​sonden skimmer overfladen af ​​en prøve for at måle mekanisk, elektriske eller kemiske egenskaber.

Når videnskabsmænd vil studere celler, væv eller andre levende biologiske materialer, prøverne skal nedsænkes i en væske for at holde dem i live. Dette udgør vanskeligheder for atomkraftmikroskopi, fordi cantileveren også skal nedsænkes.

Celler og væv er så bløde, at hvis AFM-sonden blot blev trukket hen over overfladen, det ville beskadige eller forskyde prøven i stedet for at læse den. Derfor, forskere er nødt til at betjene AFM i oscillationstilstand - hvor sonden forsigtigt banker langs prøven og detekterer modstand.

Men oscillation i væske bringer en bølge af komplikationer i kølvandet.

Oscillerende en relativt stor struktur, såsom en AFM cantilever, gennem væske får også væsken til at bølge op og ned med oscillationen, som bølger i en tidevandspool, forårsager endnu mere træk.

"Der er en enorm mængde hydrodynamisk modstand forbundet med at betjene et så stort udhæng, sammenlignet med den opløsning, du forsøger at nærme dig, " sagde Yu, "så det forårsager en masse forstyrrelser, optaget som støj, som overvælder alle de faktiske data, du forsøger at få fra prøven."

Det høje støjniveau kræver, at sonden banker hårdere for at finde et signal. Dette betyder, at spidsen deformerer en celle, når sonden trykker ned, og kun store, stive strukturelle elementer såsom kernen er synlige, gør AFM ude af stand til at opløse membranens struktur, egenskaber og konturer med høj opløsning.

Yus gruppe udtænkte en løsning på problemet ved at lade cantileveren oscillere i luften over væsken, mens prøven stadig er nedsænket. De vedhæftede en tynd, lang nanoneedle - en struktur, gruppen udviklede tidligere - til slutningen af ​​sonden, effektivt forlænger spidsen.

"Vi kalder det 'trolling mode' AFM, som ved fiskeri, hvor en del af fiskelinen er nedsænket i vand og den anden del over, " sagde Yu.

Mens AFM af blødt væv med en nedsænket sonde er som at prøve at kølle fisk med en stor pagaj i et bølgebassin, det nye arrangement er som at trolling med en fiskesnøre i en rolig dam. Nanonålen fortrænger meget lidt af væsken og forårsager meget lidt træk, er dog meget lydhør, så cantileveren kan svinge meget blidt med meget lille amplitude.

"Når du har fjernet støjen, al den information, du får, er fra prøven, i stedet for fra samspillet mellem spidsen og væsken, " sagde Yu.

Brug af trolling AFM, gruppen fik topografiske billeder i høj opløsning af menneskelige celler.

"Vi kan banke med så lille kraft, at vi kan afsløre de regionale konturer af membranen, " sagde Ning Wang, en professor i mekanisk videnskab og ingeniørvidenskab og medforfatter til papiret. "Ikke kun det, vigtigere, vi får det viskoelastiske kort. Vi sætter en lille smule kraft på det, og se, hvor viskoelastisk den er."

Takket være den minimale forstyrrelse, trolling AFM kan også fungere ved høj frekvens, som kunne give forskere mulighed for at studere dynamikken i cellulære strukturer, der tidligere ikke var påviselige.

Næste, forskerne ønsker at udvide anvendeligheden af ​​dette instrument med yderligere dynamiske målemuligheder. Holdet vil også arbejde med biologer for at identificere problemer relateret til cellemembran og forfine trolling AFM for at løse strukturer i membranen.