Lille biomolekylær pincet, der studerer cellers krafteffekt

En ny type biomolekylær pincet kunne hjælpe forskere med at undersøge, hvordan mekaniske kræfter påvirker cellers og proteins biokemiske aktivitet. Enhederne - for små til at se uden et mikroskop - bruger modsatrettede magnetiske og elektroforetiske kræfter til præcist at strække cellerne og molekylerne, holde dem på plads, så aktiviteten af ​​receptorer og anden biokemisk aktivitet kan studeres. Arrays af pincetten kunne kombineres for at studere flere molekyler og celler samtidigt, giver en høj kapacitetsevne til at vurdere virkningerne af mekaniske kræfter i en bred skala. Detaljer om enhederne, som blev udviklet af forskere ved Georgia Institute of Technology og Emory University i Atlanta, blev offentliggjort den 19. februar 2014, i journalen Teknologi .

"Vores laboratorium har været meget interesseret i mekanisk-kemiske switches i den ekstracellulære matrix, men vi har i øjeblikket svært ved at forhøre disse mekanismer og opdage, hvordan de fungerer in vivo, "sagde Thomas Barker, en lektor i Wallace H. Coulter, Institut for Biomedicinsk Teknik ved Georgia Tech og Emory University. "Denne enhed kan hjælpe biologer og biomedicinske ingeniører med at besvare spørgsmål, der ikke kan besvares lige nu." For eksempel, en celle, der binder den ekstracellulære matrix, kan binde med en receptor, mens matricen strækkes, og en anden receptor, når den ikke er under stress. Disse bindingsforskelle kunne drive ændringer i cellefænotype og påvirke processer såsom celledifferentiering. Men de er nu svære at studere.

"Hvis vi har en enhed som denne, kan vi undersøge, hvad de specifikke bindingssteder er, og hvad de specifikke bindingsudløsere er, "Forklarede Barker." Lige nu, vi ved meget lidt om dette område, når det kommer til proteinbiokemi. "Forskere har været i stand til at undersøge, hvordan enkelte celler eller proteiner påvirkes af mekaniske kræfter, men deres aktivitet kan variere betydeligt fra celle til celle og blandt molekyler. Den nye pincet, som er bygget ved hjælp af nanolithografi, kan lette at studere tusinder eller flere celler og proteiner samlet. Forskerne tester i øjeblikket prototype 15 med 15 arrays, som de mener kan blive opskaleret.

"For mig, det er ikke tilstrækkeligt at trække og holde på et enkelt protein, "sagde Barker." Jeg er nødt til at trække og holde fast i titusindvis af proteiner for virkelig at bruge de teknologier, vi har til at udvikle molekylære sonder. "

I midten af ​​pincetten er 2,8-mikron polystyren mikroperler, der indeholder superparamagnetiske nanopartikler. De små perler er konstrueret til at klæbe til en prøve, der undersøges. Denne prøve er fastgjort til en perle på den ene side, og til en magnetisk pude på den anden. Magneten trækker perlen mod den, mens en elektroforetisk kraft skabt af strøm, der strømmer gennem et guldledningsmønster, skubber perlen væk. "Enheden skubber og trækker samtidigt den samme partikel, "Forklarede Barker." Dette giver os mulighed for at holde prøven på en meget specifik position over magneten. "Fordi kræfterne kan varieres, pincetten kan bruges til at studere strukturer af vidt forskellige størrelsesskalaer, fra proteinmolekyler til celler - en størrelsesforskel på cirka tusinde gange, bemærkede Wilbur Lam, en adjunkt i Coulter -afdelingen. Absolutte kræfter i nano-Newton-området anvendt af de to kilder overvinder de meget mindre virkninger af brunisk bevægelse og termisk energi, giver pincetten mulighed for at holde celler eller molekyler uden konstant justering.

"Vi udnytter dybest set mikrochipteknologi, der er udviklet af elektriske og mekaniske ingeniører, "Lam bemærkede." Vi er i stand til at udnytte disse meget små funktioner, der gør det muligt for os at skabe et meget skarpt elektrisk felt i den ene ende mod et modsatrettet kort magnetfelt. Fordi der er to måder at kontrollere det på, Vi har en stram opløsning og kan nå mange forskellige skalaer. "

Som et principbevis for systemet, forskerne demonstrerede sin evne til at skelne mellem antigenbinding til ladede magnetiske perler belagt med forskellige antistoffer. Når der anvendes en tilstrækkelig kraft opad, ikke-specifikke antistofovertrukne perler forskydes fra den antigenovertrukne anordningsoverflade, mens perler overtrukket med det specifikke antistof tiltrækkes stærkere af overfladen og fastholdes på den.

Barker og Lam begyndte at arbejde sammen om pincetten for tre år siden, da de indså, at de havde lignende interesser i at studere virkningerne af mekanisk handling på forskellige biologiske systemer. "Vi bør ikke blive overrasket over, at biologi kan dikteres af fysiske parametre, "Forklarede Lam." Alt skal overholde fysikkens love, og mekanikken kommer til kernen i det. "Lams interesse er i mobilskalaen, specifikt i blodlegemer.

"Blodceller reagerer også forskelligt, biologisk, når du klemmer dem og når du strækker dem, "sagde han." F.eks. vi har lært, at mekanik har meget at gøre med åreforkalkning, men de systemer, vi i øjeblikket har til at studere denne mekanisme, kan kun se på enkeltcellehændelser. Hvis du kan se på mange celler på én gang, du får et meget bedre statistisk overblik over, hvad der sker. "

"Vi er primært interesseret i at udvikle antistoffer, der er i stand til at skelne forskellige kraftmedicinerede konformationer af proteiner, "forklarede han." Vi har et specifikt protein, som vi er interesserede i, men denne teknik kan anvendes på alle proteiner, der mistænkes for at have disse kraftaktiverede ændringer i deres biokemiske aktivitet. "Mens pincetten løser de specifikke eksperimentelle behov hos Lam og Barker, håber forskerne at finde andre applikationer. Pincetten blev udviklet i samarbejde med kandidatstuderende Lizhi Cao og post-doktorand Zhengchun Peng. "På grund af den skala, vi er i stand til at undersøge - både molekylær og cellulær - tror jeg, at dette vil have mange anvendelser både inden for proteinmolekylær teknik og bioteknologi, "Sagde Lam." Dette kan være en nyttig måde for folk at screene relevante molekyler, fordi der i øjeblikket ikke er gode måder at gøre det på. "Ud over biologiske systemer, enheden kan bruges til udvikling af materialer, mikroelektronik og endda sansning. "Denne evne til at opdage diskrete bindings- og ubindende hændelser mellem molekylære arter er af stor interesse lige nu, "Tilføjede Barker." Biosensor -applikationer kommer naturligt ud af dette. "