Pojedyncza cząsteczka pod mikroskopem Understand article

Tłumaczenie Jadwiga Schreiber. Czy nie byłoby fascynujące zobaczyć a może nawet zmanipulować pojedyncze cząsteczki? Patrick Theer i Marlene Rau z European Molecular Biology Laboratory wyjaśnią nam jak za pomocą mikroskopu sił atomowych (ang. atomic force microscope) możemy to zrobić…

Umożliwienie oglądania pod mikroskopem pojedynczych cząsteczek fascynowało naukowców przez wiele stuleci. Ten ambitny cel zrealizowany został w roku 1981 dzięki konstrukcji skaningowego mikroskopu tunelowego (ang. scanning tunnelling microscopy), za który Gerd Binnig i Heinrich Rohrer z IBM Research Laboratory w Rüschlikon w Szwajcarii, otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1986^w1. Mikroskop ten ma jednak dość duże ograniczenie: umożliwia on badanie tylko materiałów przewodzących prąd i dlatego wiele obiektów np. biologicznych, nie nadawało się w nim do analizy. Binning i jego współpracownicy kontynuowali poszukiwania lepszego rozwiązania i w roku 1986 zaprezentowali model mikroskopu sił atomowych (ang. atomic force microscope AFM), umożliwiający badanie materiałów przewodzących i nieprzewodzących prąd elektryczny.

Mikroskop ten działa na bardzo podobnej zasadzie jak gramofon, w którym ostra igła porusza się po rowkach płyty winylowej i w ten sposób odczytuje zapisany na niej dźwięki (zobacz ilustrację po prawej stronie). AFM też raczej „czuje” atomy a nie „widzi” ich: analizowana powierzchnia skanowana jest za pomocą bardzo wąskiego ostrza (jednego lub kilku; z krzemu lub azotku krzemu) zamocowanego na końcu sprężystej mikrodźwigni, która jest w stanie wyczuć nawet najmniejsze detale na badanej powierzchni. Gdy końcówka ostrza, składająca się z pojedynczego atomu, znajdzie się w pobliżu lub wejdzie w kontakt z powierzchną badanego obiektu zostanie ona „odchylona” poprzez siły zachodzące między cząsteczkami (ostrza i obiektu): może to być siła van der Waalsa, siła kapilarna, siła wiązania chemicznego, siła elektrostatyczna lub magnetyczna, efekt Casimira, siła solwatacji czy też inna siła, w zależności od natury badanego obiektu.

Ponieważ AFM detektuje wszystkie z wspomnianych wyżej sił oddziaływania międzycząsteczkowego, jego zastosowanie jest wszechstronne i bardzo popularne wśród naukowców – min. do badań właściwości materiałów i w biologii. W każdym z tych przypadków siła powodująca „odchylenie” ostrza jest minimalna i proporcjonalna do odległości pomiędzy ostrzem i badaną powierzchnia.

W jaki sposób mierzone są te odchylenia ostrza? Wynalazcy mikroskopu wykorzystali tu sprytny trik: wiązka laseru pada na końcówkę mikrodźwigni, skąd ulega odbiciu i reflektuje na detektor światła, czujny na zmianę pozycji laseru. Zmiana pozycji wiązki laseru na detektorze światła (zobacz ilustrację po lewej stronie, ∆H), spowodowana odchyleniem ostrza (zobacz ilustracje na stronie 61, ∆h), jest proporcjonalna to odległości pomiędzy detektorem i ostrzem. Jeśli odległość ta jest wystarczająco duża nawet minimalne odchylenia ostrza mogą być rejestrowane, umożliwiając analizę powierzchni próbki atom po atomie.

Możliwości zastosowania AFM są niezliczone. Poniżej przedstawionych zostało tylko kilka przykładów. Generalnie, AFM został opracowany do szczegółowej obserwacji i analizy różnych powierzchni. Jest to interesujące nie tylko z naukowego punktu widzenia, ale może to również przynieść korzyści ekonomiczne. Przykładem może być tzw. biofouling (ang.). Jest to niepożądane gromadzenie się mikroorganizmów, roślin (np. alg) czy zwierząt (np. wąsonogów, Cirripedia) na mokrych powierzchniach np. na kadłubie statku. Nagromadzenie się grubej warstwy biologicznego zanieczyszczenia na powierzchni statku podnośni opór wody i powoduje stopniowe, ale zauważalne zwiększenie zużycia paliwa. Problem ten zaobserwowano również na membranach bioreaktorów, w systemach chłodniczych w elektrowniach czy rurociągach naftowych. Za pomocą AFM naukowcy analizują warstwy nagromadzonego biofoulingu i testują różne substancje przeciwdziałające jego powstawaniu (Finlay et al., 2010).

Podobne zastosowanie AFM ma w rolnictwie: rośliny ananasa często cierpią na grzybicę zwaną fusariosis. Naukowcy porównali strukturę komórek powierzchniowych pomiędzy roślinami odpornymi na tą grzybicę z roślinami, które są na nią podatne i stwierdzili, że posiadają one różne właściwości mechaniczne. Odkrycie to pomoże w doborze odpowiednich roślin (o pożądanych właściwościach mechanicznych komórek) do dalszych upraw (de Farias Viégas Aquije et al., 2010).

Czy poznanie struktury powierzchni różnych obiektów ma jakiekolwiek znaczenie dla człowieka? Odpowiedź jest prosta: tak. AFM często stosowany jest w stomatologii, na przykład w porównywaniu efektywności różnych metod usuwania osadu i kamienia nazębnego; do pomiaru chropowatości powierzchni aparatów ortodontycznych i jej wpływu na efektywność korekcji pozycji zębów; czy też do pomiaru uszkodzenia szkliwa zębów przez kwas w napojach gazowanych i skuteczności różnych past do zębów w procesie regeneracji szkliwa (Kimyai et al., 2011; Lee et al., 2010; Poggio et al., 2010).

Innym przykładem zastosowania AFM w medycynie jest produkcja tzw. biomateriałów stosowanych w medycynie regeneracyjnej. Jeśli taki biomateriał wejdzie w kontakt z żywą komórką (tkanką), właściwości jego powierzchni, jak np. adhezja, szorstkość, swobodna energia powierzchniowa, ładunek powierzchniowy oraz właściwości i skład chemiczny, decydują o charakterze tej interakcji. Dlatego też AFM może być pomocny w projektowaniu i produkcji biomateriałów, które tolerowane są przez ciało człowieka, czyli do produkcji implantatów jak np. endoproteza stawu biodrowego (Al-Ahmad et al., 2010; Kolind et al., 2010; Padial-Molina et al., 2011).

AFM odgrywa bardzo ważną rolę również w badaniach klinicznych i często używany jest do analizy białek np. ich nieprawidłowego fałdowania czy agregacji jak np. w przypadku alfa synukleiny, insuliny, prionów, glukagonu czy beta amyloidu. Nieprawidłowa struktura białek związana jest z rozwojem wielu chorób degeneracyjnych jak np. cukrzycy typu 2, choroby Parkinsona, gąbczastej encefalopatii bydła (choroba szalonych krów), pląsawicy Huntingtona czy choroby Alzheimera. Dzięki AFM naukowcom udało się już wiele dowiedzieć na temat nanostruktury tych agregatów białkowych, wierzą oni również, że AFM pomoże im zrozumieć powody ich nieprawidłowego fałdowania oraz wpływ otaczających warunków na ten proces (Lyubchenko et al., 2010; więcej informacji na temat nieprawidłowego fałdowania się prionów można znaleźć w atrykule Tatalovic, 2010).

Innym przykładem zastosowania AFM w badaniach interakcji biologicznych, są badania dotyczące interakcji ludzkich trofoblastów (komórek tworzących zewnętrzną warstwę błony płodowej i odpowiedzialnych za tworzenie się łożyska oraz transport substancji odżywczych do płodu) z komórkami nabłonkowymi macicy – procesu będącego podstawą udanej implantacji zarodka (Thie et al., 1998).

AFM może być użyty nie tylko do obserwacji. Używając AFM można również manipulować atomy, cząsteczki i inne nanostruktury. Na przykład za pomocą nano-pęsety można wyciąć i badać małe fragmenty błony komórkowej czy wyizolować fragmenty białek by odtworzyć ich strukturę czy też zmienić konformację poszczególnych białek by zrozumieć ich właściwości biofizyczne.

Od nano-pęsety pozostaje już tylko mały krok do tzw. nano-chirurgii: gdzie za pomocą AFM można by wyizolować lub wprowadzić pojedyncze molekuły np. leki z/do cytoplazmy komórki i w ten sposób zbadać ich wpływ na komórkową homeostazę (Lamontagne et al., 2008; Müller et al., 2006).

Zmodyfikowana końcówka ostrza AFM może być również użyta, jako wiertło lub „długopis”: nano-drążenie powierzchni obiektów (Gozen & Ozdoganlar, 2010), czy nano-litografia – naprowadzane stałych czy płynnych wzorów na powierzchni obiektów. W laboratoriach chemicznych czy biologicznych technologia ta używana jest do produkcji nanoskopowych sensorów czy funkcjonalnych nano-obwodów i nano-urządzeń. Poprzez nanoszenie na daną powierzchnię różnych nano-struktur z metalu, półprzewodników czy też z tlenków metali, różnego rodzaju informacje mogą zostać „zapisane” (zakodowane; Basnar & Willner, 2009). W przyszłości, budowa takich nano-obwodów czy nano-urządzeń w połączeniu z użyciem ostrza AFM do „przesuwania” (manipulowania) np. pojedynczych atomów na danej powierzchni, otworzy drogę do miniaturyzowania układów elektronicznych i pamięci cyfrowej.

Mimo szerokiego zasięgu zastosowania AFM – w artykule tym podanych jest tylko kilka przykładów – możliwości AFM nie są wyczerpane. W przyszłości planowana jest dalsza optymalizacja ostrza AFM oraz kombinacja AFM z innymi technikami np. jednoczesna analiza struktury powierzchni obiektu oraz jej fluorescencji czy właściwości elektrycznych (Müller et al., 2006). Innym aspektem jest szybkość analizy obrazu czy obiektu: niedawno opracowano AFM z 1000 krotnie szybszą analizą obrazu, w którym procesy biologiczne jak segregacja i replikacja chromosomów, fagocytoza czy synteza protein, mogą być śledzone „na żywo” (Ando et al., 2008).

Czy masz może jeszcze inny pomysł na zastosowanie AFM? Jeśli chciałbyś wyborować AFM to może zainteresuje cię instrukcja Philippe Jeanjacquota jak budować własny mikroskop sił atomowych np. w twojej szkole^w2. Z pewnością zajmie to dość sporo czasu, ale jest to możliwe – Jeanjacquot i jego uczniowie zbudowali własny, funkcjonalny, nisko budżetowy mikroskop sił atomowych. Istnieje jedno podstawowe wymaganie: do budowy mikroskopu potrzebne jest bezdrganiowe miejsce np. pusta piwnica. Jeśli masz do dyspozycji takie miejsce to potrzebne są już tylko: twój entuzjazm i pomysłowość.

Download

Download this article as a PDF