Nanoskala pincet kan udføre enkelt-molekyle biopsier på individuelle celler

Ved hjælp af elektriske impulser, 'pincetten' kan udtrække enkelt DNA, proteiner og organeller fra levende celler uden at ødelægge dem.

Vi udvider løbende vores viden om, hvordan celler fungerer, men mange ubesvarede spørgsmål er tilbage. Dette gælder især for individuelle celler, der er af samme type, såsom hjerne, muskel- eller fedtceller, men har meget forskellige sammensætninger på enkelt-molekyle niveau.

At katalogisere mangfoldigheden af ​​tilsyneladende identiske celler kan hjælpe forskere til bedre at forstå grundlæggende cellulære processer og designe forbedrede sygdomsmodeller, og endda nye patientspecifikke behandlinger.

Imidlertid, traditionelle metoder til at studere disse forskelle involverer typisk sprængning af cellen, hvilket resulterer i, at alt indholdet blandes. Dette resulterer ikke kun i tab af rumlige oplysninger - hvordan indholdet blev lagt ud i forhold til hinanden, men også i dynamisk information, såsom molekylære ændringer i cellen over tid.

En ny teknik, udviklet af et team ledet af professor Joshua Edel og Dr. Alex Ivanov ved Imperial College London, gør det muligt for forskere at udvinde enkelte molekyler fra levende celler, uden at ødelægge dem. Forskningen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi , kunne hjælpe videnskabsmænd med at opbygge et 'menneskelige celleatlas', giver ny indsigt i, hvordan sunde celler fungerer, og hvad der går galt i syge celler.

Professor Joshua Edel, fra Institut for Kemi på Imperial, sagde:"Med vores pincet, vi kan udtrække det mindste antal molekyler, vi har brug for, fra en celle i realtid, uden at beskadige den. Vi har vist, at vi kan manipulere og udtrække flere forskellige dele fra forskellige regioner af cellen – inklusive mitokondrier fra cellekroppen, RNA fra forskellige steder i cytoplasmaet og endda DNA fra kernen."

Pincetten er dannet af en skarp glasstang, der afsluttes med et par elektroder lavet af et kulstofbaseret materiale, der ligner grafit. Spidsen er mindre end 50 nanometer (en nanometer er en milliontedel af en millimeter) i diameter og er opdelt i to elektroder, med et mellemrum på 10 til 20 nanometer mellem dem.

Ved at påføre en vekselstrømspænding, dette lille hul skaber et kraftigt stærkt lokaliseret elektrisk felt, der kan fange og udtrække det lille indhold af celler såsom DNA og transkriptionsfaktorer - molekyler, der kan ændre genernes aktivitet.

Metoden er baseret på et fænomen kaldet dielektroforese. Pincetten genererer et tilstrækkeligt højt elektrisk felt, der gør det muligt at fange visse genstande såsom enkelte molekyler og partikler. Evnen til at udvælge individuelle molekyler fra en celle adskiller den fra alternative teknologier.

Teknikken kan potentielt bruges til at udføre eksperimenter, som ikke er mulige i øjeblikket. For eksempel, nerveceller kræver meget energi for at sende beskeder rundt i kroppen, så de indeholder mange mitokondrier, der hjælper dem med at fungere. Imidlertid, ved at tilføje eller fjerne mitokondrier fra individuelle nerveceller, forskere kunne bedre forstå deres rolle, især ved neurodegenerative sygdomme.

Dr. Alex Ivanov, fra Institut for Kemi på Imperial, sagde:"Disse nanoskala pincet kunne være en vigtig tilføjelse til værktøjskassen til at manipulere enkelte celler og deres dele. Ved at studere levende celler på molekylært niveau, vi kan udtrække individuelle molekyler fra det samme sted med hidtil uset rumlig opløsning og over flere tidspunkter. Dette kan give en dybere forståelse af cellulære processer, og ved at fastslå, hvorfor celler fra samme type kan være meget forskellige fra hinanden."

Professor Edel tilføjede:"Hele projektet blev kun muliggjort af de unge teammedlemmers unikke knowhow og evner og entusiasme, herunder Dr. Binoy Paulose Nadappuram og Dr. Paolo Cadinu, blandt andre, som alle har forskellig ekspertise og baggrund. "