Nanosfærer måler kræfterne fra cellemotorer

Motorproteiner genererer kræfterne til essentielle mekaniske processer i vores krop. På en skala af nanometer - en milliontedel af en millimeter - motorproteiner, for eksempel, driver vores muskler eller transporterer materiale i vores celler. Sådanne bevægelser, usynlig for det blotte øje, kan gøres synlig af Erik Schäffer:professoren i cellulær nanovidenskab ved universitetet i Tübingen udvikler specialkraftmikroskoper, såkaldte optiske pincet, at måle, hvordan disse molekylære maskiner fungerer mekanisk. Hans team på Center for Plantemolekylærbiologi har nu forbedret teknologien. Særlige sonder, germanium nanosfærer, muliggør en højere opløsning af forskydninger og kræfter, som motorerne genererer. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Med en størrelse på kun 60 nanometer, de undersøgte motoriske proteiner er virkelig små, men afgørende for cellulære processer. Blandt andet, de hjælper med mekanisk at trække kromosomerne fra hinanden under celledeling, eller de transporterer små "pakker, "såkaldte vesikler, inde i celler. Dysfunktionelle motorer, for eksempel i nerveceller, kan føre til neurologiske sygdomme som Alzheimers.

For at opklare, hvordan motorproteiner virker, biofysiker Erik Schäffer udviklede en ultrapræcis optisk pincet. De er baseret på principper, som allerede blev opdaget af astronomen Johannes Kepler i 1609. Til deres opfindelse, fysikeren Arthur Ashkin modtog Nobelprisen i 2018. Den optiske pincet udnytter strålingstrykket fra laserlys til kontaktløst at holde små partikler på plads. Ved at bruge dette værktøj, Schäffer har for nogle år siden været i stand til at demonstrere, at motorproteinet kinesin roterer, mens man går:med to "fødder, "det tager otte nanometer store skridt at lave en halv omgang hver gang - næsten som om man udfører en wienervals.

Schäffers ph.d. studerende Swathi Sudhakar har nu forfinet den optiske pincetteknologi yderligere. Brug af germanium nanosfærer, meget mindre og højere opløsningssonder, man kan stadig modvirke det ufatteligt lille, fem-piconewton kræfter af de biologiske motorer. Det betyder, at forskerne nu kan måle selv de mindste og hurtigste bevægelser, der hidtil var skjult i stormen af ​​den rykkende termiske bevægelse, der er forbundet med små partikler.

Med den nye teknologi, forskerne kunne spore kinesin i realtid, og Sudhakar opdagede endnu et mellemtrin i dens bevægelse, gør valsen næsten perfekt. "Om dette mellemtrin eksisterer har været diskuteret blandt videnskabsmænd i 20 år, " siger Schäffer. "Vi var i stand til at måle dette direkte for første gang ved hjælp af en optisk pincet." nanosfærerne afslørede en hidtil ukendt glidemekanisme af motoren. "Det er en slags sikkerhedssnor, der holder motoren på sporet, hvis belastningen er for høj, " siger Schäffer. Denne mekanisme forklarer den høje effektivitet af vesikeltransport i celler, tilføjer han. "Hvis vi ved, hvordan kinesinmotorer fungerer i detaljer, vi kan også bedre forstå de vitale celleprocesser, som motorerne driver, samt funktionsfejl, der kan føre til sygdom."

Schäffer sammenligner den nye teknologi med at "tage et godt kig under motorhjelmen" på molekylære maskiner. Han siger, at nu forskere kan ikke kun præcist observere individuelle bevægelser af molekylære maskiner; de kan også bedre forstå, for eksempel, hvordan proteiner foldes ind i deres korrekte struktur. "Som halvledere, nanosfærerne har yderligere spændende optiske og elektriske egenskaber. Derfor, de kunne være nyttige inden for andre områder af nanovidenskab og materialevidenskab, for eksempel, for bedre lithium-ion-batterier, " siger Schäffer.