Технология, позволяющая слушать бактерии и клетки
Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали наноразмерное оптоволокно, обладающее невероятным уровнем чувствительности: оно способно улавливать колебания, производимые завихрениями, создаваемыми двигающимися бактериями, а также звуковые волны, создаваемые бьющимися клетками сердечной ткани. В перспективе такой уровень чувствительности позволит специалистам следить за каждой отдельно взятой клеткой и предупреждать об изменениях в процессе их нормальной работы.
«Этот инструмент может открыть перед нами двери возможностей слежения за самыми малозаметными взаимодействиями и изменениями в организме, что раньше было просто невозможно», — говорит Дональд Сирбули, один из создателей гиперчувствительного оптоволокна из Калифорнийского университета.
Прогресс в развитии технологий микроскопии позволил нам проникнуть в самые крошечные расщелины нашего физического мира, но для того, чтобы по-настоящему понять, что же в этом мире происходит, недостаточно просто иметь возможность увидеть это – нужно обладать возможностью еще и почувствовать.
Следует отметить, что микроскопы, способные вести наблюдение за самыми крошечными силами, уже существуют. Одним из примеров может служить хотя бы атомно-силовой микроскоп, способный не только сканировать поведение атомов, но и манипулировать ими. Однако метод, согласно которому работают такие микроскопы, не позволяет их использовать для исследования биологических систем.
Возможность измерения биологических сил самых малых масштабов требует от ученых использования нового подхода. Поэтому группа специалистов из США разработала из оксида олова оптоволокно, которое в 100 раз тоньше человеческого волоса. Для наделения оптоволокна способностью «чувствовать», оксид олова покрыли тонким слоем полимера, усеянного наночастицами золота.
Как это работает
Метод использования такого волокна очень прост. Все, что нужно, – поместить оптоволокно в раствор, содержащий клетки или бактерии. Оптоволокно излучает свет, взаимодействующий с частицами золота. Биологические силы организма и создаваемые ими звуковые волны сталкиваются с наночастицами золота, слегка вдавливая их в полимерную оболочку. С помощью этого можно рассчитать как уровень самой силы, так и уровень звука, ею создаваемый. Создатели оптоволокна проверили его работу, проведя наблюдение за клетками ткани бьющегося сердца, а также за движением жгутиков (движущих органов) бактерий.
«С помощью этого устройства мы смогли не только уловить эти едва заметные биосилы и звуки, но и провели их количественную оценку. Этот инструмент идеально подходит для проведения наномеханического зондирования в высоком разрешении», — комментирует Сирбули.
После калибровки устройства оказалось, что подобное оптоволокно может быть в 10 раз более чувствительным, чем атомно-силовые микроскопы и способно определять биологические силы с уровнем воздействия менее 160 фН (фемтоньютонов), а звука – менее -30 дБ (децибел). А это, в свою очередь, в тысячу раз меньше того уровня, который может восприниматься человеческим ухом.
Специалисты отмечают, что при использовании различных видов полимерного покрытия можно расширить диапазон эффективности созданного ими оптоволокна. Например, для измерения больших сил можно использовать более прочное полимерное покрытие, а для определения меньших сил – с оптоволокном можно использовать очень мягкое покрытие, вроде того же гидрогеля.
В будущем исследователи планируют использовать оптические нановолокна для измерения биоактивности и механического поведения отдельных клеток. Это позволит еще сильнее увеличить возможности технологии и в перспективе может привести к созданию сверхчувствительных биостетоскопов.