Как вы представляете себе чрезвычайно малые силы, связанные с процессами в нашем теле, такими как эмбриональный рост и развитие? Исследователи из Вагенингена экспериментировали с сочетанием лазерной технологии и химических знаний, придумав датчик, состоящий из одной единственной молекулы, который в несколько сотен раз более точен, чем существующие устройства, используемые для измерения наносил на молекулярном уровне. Силу, измеряемую одной молекулой, можно сравнить с силой, с которой одна песчинка давит на плечо человека. Исследователи описывают свои выводы в выпуске научного журнала Chem. от 18 января.
Силы, испытываемые молекулами в клетках, а также во всех окружающих нас материалах, настолько малы, что даже самые точные из существующих измерительных устройств едва способны определить, является ли это силой вообще. «До сих пор все было черным или белым, либо сила была, либо ее не было - существующие методы не могли определить что-то среднее», - говорит Джорис Спракель, руководитель исследовательской группы Sprakel Lab и группы физической химии и мягкой материи. Вагенингенского университета и исследований. «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 черное или белое, а измеряем, так сказать, «пятьдесят оттенков серого».
Как песчинка
Выражаясь техническими терминами, измерение силы 1 молекулы имеет разрешение в сто фемтоньютонов. В качестве силы это записывается как 0,000, 000, 000, 0001 ньютон (1 ньютон ощущается примерно как 100 грамм). «Но молекула также невероятно мала, около одного нанометра или одной миллионной доли миллиметра», - говорит Джорис Спракел. «Эту силу в сто фемтоНьютон, которая давит на молекулу в один нанометр, можно сравнить с силой песчинки на плече человека. И мы можем измерить такие малые силы соотношениями, которые в миллиард раз меньше».
Как это работает
Используя новый метод измерения, можно лучше понять силы, действующие на молекулярном уровне в живых клетках растений, животных и человека. «Например, в эмбриональном развитии растительных клеток. Мы знаем, что крошечные силы определяют, когда клетка делится и в каком направлении. Таким образом, в конечном итоге эти механические стимулы определяют, как развивается зародыш растения; но до сих пор это было невозможно измерить, - говорит Спракел. - Раньше у нас не было прямого доступа к физическим явлениям в таком масштабе, и если вы не можете это увидеть, почти невозможно понять, как это работает. Если вы понимаете роль наносил в биологических процессах, в долгосрочной перспективе можно будет предотвратить определенные заболевания из-за ошибок в этих клеточных силах. Но это все еще дело будущего; теперь мы продемонстрировали, как мы можем измерить такого рода «неизмеримые» силы. В моей команде мы сейчас работаем над применением этого подхода к клеточным процессам."
Молекула как измерительный прибор
По словам Джориса Спракеля, проведение таких чувствительных мелкомасштабных измерений невозможно с использованием большого измерительного устройства в клетке. Поэтому исследователи создали молекулы, которые сами по себе действуют как измерительные устройства; каждый из молекулярных датчиков, созданных командой, работает как измеритель наносилы. Чтобы «прочитать» молекулу и определить силу, исследователи освещают одну молекулу лазером. Эта молекула возвращает свет в другом оттенке, что позволяет исследовательской группе определить величину силы. Поэтому принципиально важно, что метод состоит не только из новой молекулы или нового инструмента, но и из комбинации того и другого.
«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».