Силы, испытываемые молекулами в клетках, а также во всех материалах вокруг нас, настолько малы, что даже самые точные существующие измерительные устройства едва ли способны определить, является ли это силой вообще. «До сих пор все было черным или белым, либо была сила, либо ее не было — существующие методы не могли определить что-либо среднее», — говорит Йорис Спракель, руководитель исследовательской группы в Sprakel Lab and the Physical Chemistry and Soft Matter. Группа Вагенингенского университета Исследовать. «С командой из трех молодых исследователей и продвинутого студента мы объединили различные области знаний.
И мы пришли к идее, что теоретически возможно обнаружить силы на молекулярном уровне, используя саму молекулу в качестве нано-измерительный прибор. Мы больше не измеряем черный или белый цвет, а измеряем «пятьдесят оттенков серого», так сказать ».Как песчинка
Выражаясь техническими терминами, чувствительность одной молекулы к силе имеет разрешение в сто фемтоньютон. В качестве силы это записывается как 0,000,000,000,0001 Ньютон (1 Ньютон составляет около 100 граммов). «Но молекула также невероятно мала, около одного нанометра или одной миллионной миллиметра», — говорит Йорис Спракель. «Эту силу в сто фемтоНьютонов, которая давит на молекулу размером в один нанометр, можно сравнить с силой песчинки на плече человека.
И мы можем измерить такие небольшие силы с отношениями, которые в миллиард раз меньше».Как это работаетИспользуя новый метод измерения, можно получить больше информации о силах, действующих на молекулярном уровне в живых клетках растений, животных и человека. «Например, в эмбриональном развитии растительных клеток.
Мы знаем, что мизерные силы определяют, когда клетка делится и в каком направлении. В конечном итоге эти механические стимулы определяют, как развивается растительный зародыш; но до сих пор это было невозможно измерить. ", — говорит Спракель. «Раньше у нас не было прямого доступа к физическим явлениям в этом масштабе, и если вы не можете их увидеть, то почти невозможно понять, как они работают. Если вы понимаете роль нано-сил в биологических процессах, в долгосрочной перспективе это может быть возможно предотвратить определенные заболевания из-за ошибок в этих клеточных силах.
Но это все еще дело будущего; теперь мы продемонстрировали, как мы можем измерить эти виды «неизмеримых» сил. В моей команде мы в настоящее время работаем над применением этот подход к клеточным процессам ».
Молекула как измерительный приборПо словам Йориса Спракеля, проведение таких чувствительных мелкомасштабных измерений невозможно с использованием большого измерительного устройства в ячейке. Поэтому исследователи создали молекулы, которые сами действуют как измерительные устройства; Каждый из молекулярных сенсоров, созданных командой, работает как измеритель нано-силы.
Чтобы «прочитать» молекулу и определить силу, исследователи направляют лазер на одну молекулу. Эта молекула возвращает свет в другом оттенке, что позволяет исследовательской группе определить количество силы.
Поэтому принципиально важно то, что метод состоит не только из новой молекулы или нового инструмента, но и из их комбинации.«Для этого нам нужна была сильная междисциплинарная команда, — говорит Спракель. «Этот прорыв был достигнут благодаря уникальному сочетанию четырех молодых исследователей в моей команде, каждый из которых имеет свою область знаний.
Это означало, что мы наконец смогли реализовать эту давнюю мечту».