Силы, действующие на живую клетку или микроорганизм, очень малы и часто не превышают нескольких наноньютонов. Для сравнения, один наноньютон - это вес одной миллиардной части типичной плитки шоколада. Тем не менее, для биологических клеток и микробов этих сил достаточно, чтобы клетки могли прилипать к поверхности, а микробы продвигаться к питательным веществам. Ученые из Финляндии и Германии в настоящее время представляют легко адаптируемую технику под названием «микропипеточные датчики силы» для точного измерения сил, оказываемых широким спектром организмов микронного размера. Этот новый метод был опубликован в высокорейтинговом международном журнале Nature Protocols.
Чтобы оставаться в живых и размножаться, биологическая клетка должна иметь возможность успешно адаптироваться к условиям окружающей среды. Способность делать это включает в себя физические принципы и механические силы: клетки могут прикрепляться к поверхностям и другим клеткам, чтобы в конечном итоге сформировать биопленку, структуру, которая защищает сообщество клеток от внешнего нападения. Многие микроорганизмы могут активно передвигаться, ползая по поверхности или плавая в жидкости, например, к источнику питательных веществ. Чтобы продвинуть наше фундаментальное понимание того, как микробы могут передвигаться, нам важно иметь возможность измерять механические силы, связанные с их движением.
Разработка микропипеточных датчиков силы для измерения силы живых клеток и микроорганизмов описана в совместной работе доктора Матильды Бэкхольм и доктора Оливера Баумхена.«Принцип работы датчика силы микропипетки очень прост: оптически наблюдая за отклонением откалиброванной микропипетки, можно непосредственно измерить силы, действующие на пипетку», - говорит Матильда Бэкхольм, научный сотрудник факультета прикладной физики Университета Аалто. в Финляндии.
Микропипетка представляет собой полую стеклянную иглу толщиной примерно с диаметр человеческого волоса или даже меньше. Одним из самых замечательных преимуществ этого метода является тот факт, что его можно применять к большому количеству биологических систем, начиная от одной клетки и заканчивая микроорганизмом размером с миллиметр. «Мы продемонстрировали универсальность нашего метода, используя две модельные системы из микробиологии, но, безусловно, этот метод может и будет применяться к другим биологическим системам в будущем», - говорит Оливер Баумхен, руководитель исследовательской группы в Институте динамики и самоанализа Макса Планка. Организация в Геттингене, Германия.
Идея метода состоит в том, чтобы объединить преимущества нескольких известных биофизических методов: мы используем микропипетку для захвата живой клетки точно так же, как это делается при экстракорпоральном оплодотворении, и изучаем механические силы путем измерения отклонения пипетки с использованием принципов измерения, лежащих в основе атомно-силовой микроскопии - стандартного метода измерения в физике.», - говорит Боймхен. Доктор Бэкхольм указывает на еще одно важное преимущество: «В отличие от других методов измерения силы, мы обнаруживаем отклонение нашей высокочувствительной микропипетки, просто наблюдая за ним с помощью современного микроскопа. Это позволяет нам наблюдать за формой и движением микроорганизма с высоким оптическим разрешением, одновременно измеряя силы». а также питательные вещества, температура и другие факторы окружающей среды. «Разрешение силы действительно замечательно. С нашими недавними технологическими достижениями нам удалось обнаружить силы вплоть до десяти пиконьютонов, что почти так же хорошо, как в атомно-силовом микроскопе», - добавляет доктор Баумхен.
Исследователи ожидают, что их метод будет применяться в других исследовательских лабораториях в будущем для решения множества важных биофизических вопросов, направленных на лучшее понимание биологических функций клеток и микроорганизмов, а также лежащих в их основе физических принципов. Доктор Бэкхольм отмечает, что эти направления исследований действительно могут способствовать развитию биомедицинских и биотехнологических приложений: «Метод датчика силы с помощью микропипеток может помочь идентифицировать лекарства для борьбы с инфекционными заболеваниями и подавления образования биопленок на медицинских имплантатах, и это лишь несколько примеров, когда это новый подход может оказать значительное влияние».