Ingeniører skaber optisk pincet i mikronskala

I 2018, halvdelen af ​​Nobelprisen blev tildelt Arthur Ashkin, fysikeren, der udviklede en optisk pincet, brugen af ​​en stramt fokuseret laserstråle til at isolere og flytte objekter i mikronskala (på størrelse med røde blodlegemer). Nu Justus Ndukaife, assisterende professor i elektroteknik ved Vanderbilt University, har udviklet den første opto-termo-elektrohydrodynamiske pincet nogensinde, optiske nanotweezer, der kan fange og manipulere objekter i endnu mindre skala.

Artiklen, "Stand-off fangst og manipulation af sub-10 nm objekter og biomolekyler ved hjælp af opto-termo-elektrohydrodynamiske pincet" blev offentliggjort online i tidsskriftet Natur nanoteknologi den 31. august.

Artiklen er skrevet af Ndukaife og kandidatstuderende Chuchuan Hong og Sen Yang, som udfører forskning i Ndukaifes laboratorium.

Mikron-skala optisk pincet repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for biologisk forskning, men er begrænset i størrelsen af ​​de objekter, de kan arbejde med. Dette skyldes, at laserstrålen, der fungerer som tangen på en optisk pincet, kun kan fokusere laserlyset til en bestemt diameter (ca. halvdelen af ​​laserens bølgelængde). I tilfælde af rødt lys med en bølgelængde på 700 nanometer, pincet kan kun fokusere på og manipulere objekter med en diameter på ca. 350 nanometer eller mere ved brug af lav effekt. Selvfølgelig, størrelsen er relativ, så mens en størrelse på 350 nanometer er ekstremt lille, det udelader de endnu mindre molekyler såsom vira, som kommer ind på 100 nanometer, eller DNA og proteiner, der måler mindre end 10 nanometer.

Den teknik, som Ndukaife etablerede med OTET, efterlader flere mikrometer mellem laserstrålen og det molekyle, den fanger, et andet vigtigt element i, hvordan disse nye, en lille pincet virker. "Vi har udviklet en strategi, der gør os i stand til at tweeze ekstremt små genstande uden at udsætte dem for højintensitetslys eller varme, der kan skade et molekyles funktion, " sagde Ndukaife. "Evnen til at fange og manipulere sådanne små objekter giver os evnen til at forstå måden vores DNA og andre biologiske molekyler opfører sig på i detaljer, på et enestående niveau."

Før OTET, molekyler såsom ekstracellulære vesikler kunne kun isoleres ved hjælp af højhastighedscentrifuger. Imidlertid, teknologiens høje omkostninger har forhindret bred anvendelse. OTET, på den anden side, har potentiale til at blive bredt tilgængelig for forskere med mindre budgetter. Pincetten kan også sortere genstande ud fra deres størrelse, en tilgang, der er vigtig, når man leder efter specifikke exosomer, ekstracellulære vesikler udskilt af celler, der kan forårsage metastasering af kræftformer. Exosomer varierer i størrelse fra 30 til 150 nanometer, og sortering og undersøgelse af specifikke exosomer har typisk vist sig udfordrende.

Andre anvendelser af OTET, som Ndukaife forestiller sig, omfatter påvisning af patogener ved at fange vira til undersøgelse og forskning i proteiner, der bidrager til tilstande forbundet med neurodegenerative sygdomme som Alzheimers. Begge applikationer kan bidrage til tidlig påvisning af sygdom, fordi pincet effektivt kan fange lave niveauer af molekyler, hvilket betyder, at en sygdom ikke behøver at være fuldt udviklet, før der kan forskes i sygdomsfremkaldende molekyler. OTET kan også kombineres med andre forskningsteknikker såsom biofluorescens og spektroskopi.

"Himlen er grænsen, når det kommer til anvendelserne af OTET, " sagde Ndukaife, som samarbejdede med Center for Teknologioverførsel og Kommercialisering for at indgive patent på denne teknologi. "Jeg glæder mig til at se, hvordan andre forskere udnytter dens evner i deres arbejde."