Μεμονωμένα μόρια στο μικροσκόπιο Understand article

Μετάφραση από Χαρίλαο Μέγα (Charilaos Megas). Δε θα ήταν εκπληκτικό να παρατηρούμε και να χειριζόμαστε μεμονωμένα μόρια; Οι Patrick Theer και Marlene Rau από το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο…

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Henrik5000 / iStockphoto

Η ιδέα παρατήρησης μεμονωμένων μορίων ή ατόμων ενθουσιάζει τους επιστήμονες εδώ και πάνω από έναν αιώνα. Αυτό το φιλόδοξο σχέδιο επετεύχθη αρχικά το 1981 με την εφεύρεση του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας, για την οποία οι Gerd Binnig και Heinrich Rohrer στο Ερευνητικό Εργαστήριο ΙΒΜ στο Rüschlikon, Ελβετία, πήραν το Βραβειό Νόμπελ Φυσικής λίγο αργότερα, το 1986w1. Αυτό το μικροσκόπιο έχει όμως έναν περιορισμό: λειτουργεί μόνο με ηλεκτρικά αγώγιμα αντικείμενα, επομένως τόσα ενδιαφέροντα υλικά όπως τα βιομόρια δεν μπορούν να μελετηθούν. Ο Binnig και οι συνεργάτες του συνέχισαν την έρευνα για καλύτερες λύσεις και το 1986, παρουσίασαν το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), που χρησιμοποιείται τόσο για καλούς όσο και κακούς αγωγούς του ηλεκτρισμού.

Η βελόνα τοποθετείται
πάνω σε ένα δίσκο βινυλίου,
έτοιμη να σαρώσει την
επιφάνειά του για να
παράγει ήχο

Η εικόνα προσφέρθηκε από
arbobo; πηγή εικόνας:: Flickr

Το όργανο λειτουργεί όπως ένα πικάπ, όπου μία μυτερή βελόνα σαρώνει ένα δίσκο βινυλίου για την παραγωγή ήχου (βλέπε εικόνα δεξιά). Το AFM ‘αισθάνεται’ τα άτομα αντί να τα ‘βλέπει’: η δομή μιας επιφάνειας σαρώνεται από έναν πολύ μυτερό κώνο (συνήθως από πυρίτιο ή νιτρίδιο του πυριτίου) στο άκρο ενός ευλύγιστου στηρίγματος που εντοπίζει ακόμη και τις πιο μικρές λεπτομέρειες της επιφάνειας. Όταν το άκρο, που αποτελείται από ένα μόνο άτομο, πλησιάσει την επιφάνεια δείγμα, εκτρέπεται από δυνάμεις: αυτές μπορεί να είναι μηχανικές δυνάμεις επαφής, δυνάμεις van der Waals, τριχοειδείς δυνάμεις, χημικούς δεσμούς, ηλεκτροστατικές δυνάμεις, μαγνητικές δυνάμεις, δυνάμεις Casimir, δυνάμεις ενυδάτωσης ή άλλες, ανάλογα με τη φύση του δείγματος.

Επειδή το AFM μπορεί να μετρήσει τόσες διαφορετικές δυνάμεις, είναι ευέλικτο και αύξησε κατακόρυφα τον αριθμό των ερευνητών που το χρησιμοποιούν – κυρίως, αλλά όχι μόνο, για την επιστήμη υλικών και τη βιολογία. Σε κάθε περίπτωση, η δύναμη που προκαλεί την εκτροπή είναι μικρή και ανάλογη με την απόσταση του άκρου από την επιφάνεια.

Πώς μεγεθύνονται και
μετρώνται οι εκτροπές του
άκρου του AFM. Κάντε κλικ
στην εικόνα για μεγέθυνση

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Patrick Theer

Πώς μετρώνται αυτές οι μικρές εκτροπές; Οι εφευρέτες έκαναν κάτι έξυπνο: μία δέσμη λέιζερ χτυπάει την κορυφή του στηρίγματος, απ’όπου ανακλάται σε έναν ανιχνευτή φωτός που αντιλαμβάνεται τη θέση. Η αλλαγή στη θέση του λέιζερ στον ανιχνευτή (βλέπε διάγραμμα αριστερά, ΔΗ) λόγω ανάκλασης στο στήριγμα (βλέπε διάγραμμα στη σελίδα 61, Δh) είναι ανάλογη της απόστασης μεταξύ ανιχνευτή και στηρίγματος. Με αρκετά μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους, μπορούν να μετρηθούν ακόμη και μικρές εκτροπές, καθιστώντας εφικτή τη μελέτη της δομής των επιφανειών άτομο προς άτομο.

Βάρκες που υποφέρουν από
biofouling

Η εικόνα προσφέρθηκε από
lovestruck; πηγή εικόνας::
Flickr

Αρχικά, το AFM αναπτύχθηκε για την παρατήρηση και ανάλυση της δομής επιφανειών με τρομερή λεπτομέρεια – αυτό είναι ενδιαφέρον όχι μόνο για ερευνητικούς σκοπούς, αλλά έχει και άμεσα οικονομικά πλεονεκτήματα: το biofouling είναι η ανεπιθύμητη συσσώρευση μικροοργανισμών, φυτών, φυκών και/ή ζώων (όπως στρείδια, Cirripedia) σε υγρές επιφάνειες. Στο σκελετό του πλοίου, υψηλά επίπεδα fouling αυξάνουν την αντίσταση του νερού, αυξάνοντας σημαντικά την κατανάλωση καυσίμου, αλλά είναι επίσης θέμα και στους μεμβρανικούς βιοαντιδραστήρες, στους κύκλους ψύξης νερού των σταθμών παραγωγής ενέργειας και σε κάποιους σωλήνες πετρελαίου. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το AFM για τη μέτρηση του biofouling, ώστε να συγκρίνουν ποια υλικά εμφανίζουν τη μικρότερη συσσώρευση και να διαπιστώσουν το ιδανικό υλικό (Finlay et al., 2010).

Η εικόνα προσφέρθηκε από
Frantysek / iStockphoto

Παρόμοια, το AFM χρησιμοποιείται στην αγροτική παραγωγή: οι ανανάδες συχνά υποφέρουν από μία μυκητιακή ασθένεια που λέγεται φουζαρίωση. Οι επιστήμονες συνέκριναν τη δομή της επιφάνειας κυττάρων από ποικιλίες ανανά που είναι ανθεκτικές στην ασθένεια με ποικιλίες που δεν είναι ανθεκτικές και διαπίστωσαν ότι έχουν διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλογή και βελτίωση ανθεκτικών ποικιλιών με τις απαραίτητες μηχανικές ιδιότητες (de Farias Viégas Aquije et al., 2010).

Σχετίζεται η δομή των επιφανειών και με την ανθρώπινη υγεία; Η απάντηση είναι ναι: μελέτες AFM χρησιμοποιούνται συχνά στην οδοντιατρική, για παράδειγμα για τη σύγκριση των αποτελεσματικότητας διαφορετικών μεθόδων για την αφαίρεση πλάκας και κηλίδων. για τη μέτρηση της επιφανειακής τραχύτητας στα σιδεράκια και να διαπιστωθεί πώς επηρεάζεται η αποτελεσματικότητα διόρθωσης των δοντιών. ή για την ποσοτικοποίηση της διάβρωσης του σμάλτου από οξέα αναψυκτικών και να ελεγχθεί η απόδοση από οδοντόκρεμες για τη διόρθωση της ζημιάς αυτής (Kimyai et al., 2011; Lee et al., 2010; Poggio et al., 2010).

Το AFM έχει πολλές
εφαρμογές σχετικές με τα
δόντια

Η εικόνα προσφέρθηκε από
webking / iStockphoto

Άλλες ιατρικές εφαρμογές είναι η ανάπτυξη νέων βιοϋλικών στην αναγεννητική ιατρική: οι ιδιότητες των επιφανειών τους όπως η διαβρεξιμότητα, η τραχύτητα, η επιφανειακή ενέργεια, η επιφανειακή φόρτιση, χημικές ιδιότητες και η σύσταση καθορίζουν τη συμπεριφορά των κυττάρων με τα οποία θα έρθουν σε επαφή. Έτσι, το AFM μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, για το σχεδιασμό βιοϋλικών που είναι ανεκτά από το σώμα ώστε να φτιαχτούν ιατρικά εμφυτεύματα όπως τεχνητοί γοφοί (Al-Ahmad et al., 2010; Kolind et al., 2010; Padial-Molina et al., 2011).

Άλλο σημαντικό πεδίο εφαρμογών για το AFM στην ιατρική βιολογία είναι η λάθος αναδίπλωση και συσσώρευση πρωτεϊνών όπως α-συνουκλεΐνη, ινσουλίνη, prions, γλυκογόνο και β-αμυλοειδές. Αυτά τα φαινόμενα σχετίζονται με εκφυλιστικές ασθένειες, όπως διαβήτη τύπου ΙΙ, Πάρκινσον, σπογγώδη εγγεφαλοπάθεια («νόσος τρελών αγελάδων»), Χάντιγκτον και Αλτσχάιμερ. Το AFM ήδη έχει δώσει πληροφορίες για τη δομή των ουσιών σε κλίμακα νανομέτρων, και υπάρχει ελπίδα ότι οι επιστήμονες θα μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για να καταλάβουν γιατί η πρωτεΐνη αναδιπλώνεται λανθασμένα εξ αρχής και πώς ωθεί τις γύρω πρωτεΐνες να αναδιπλωθούν και αυτές λάθος (Lyubchenko et al., 2010; για επεξήγηση της λανθασμένης αναδίπλωσης prion, βλέπε Tatalovic, 2010).

Το European Synchrotron
Radiation Facility ανέπτυξε
ένα μικροσκόπιο ατομικής
δύναμης ειδικά για χρήση σε
δέσμες ακτίνων Χ. Μία
πιθανή χρήση είναι η
τοποθέτηση
νανοαντικειμένων με
ακρίβεια στη δέσμη Χ. Αυτό
δεν είναι εύκολο αν το υπό
μελέτη αντικείμενο και η
δέσμη έχουν πλάτος 100 nm
ή λιγότερο

Η εικόνα προσφέρθηκε από
ESRF / Small Infinity

Περαιτέρω βιολογικές αλληλεπιδράσεις που μελετήθηκαν με το AFM περιλαμβάνουν το πώς οι ανθρώπινοι τροφοβλάστες (κύτταρα που δημιουργούν το εξωτερικό στρώμα της βλαστοκύστης που παρέχει θρεπτικά στο έμβρυο και αναπτύσσεται σε μεγάλο τμήμα του πλακούντα) αλληλεπιδρούν με επιθηλιακά κύτταρα της μήτρας – τη βάση για την επιτυχή προσκόλληση του εμβρύου (Thie et al., 1998).

Ήταν μόνο ένα μικρό βήμα από τη χρήση του AFM για παρατηρήσεις μέχρι τη χρήση του για το χειρισμό ατόμων, μορίων και άλλων νανοδομών. Για παράδειγμα, με τη χρήση του άκρου ως νανοτσιμπιδάκι, μπορούν να μελετηθούν ακριβείς περιοχές της πλασματικής κυτταρικής μεμβράνης. μεμονωμένοι πρωτεϊνικοί βρόγχοι μπορούν να αφαιρεθούν για να μελετηθεί η δομή εντός του μορίου. και μεμονωμένα μόρια μπορούν να τανυστούν σε νέους σχηματισμούς για τον έλεγχο της ελαστικότητάς τους.

Το επόμενο μεγάλο βήμα είναι η χρήση του AFM στη νανοχειρουργική: εισαγωγή ή εξαγωγή μεμονωμένων μορίων από το κυτταρόπλασμα συγκεκριμένων κυττάρων για τη μελέτη της κυτταρικής ομοιόστασης ή για υποκυτταρική χορήγηση φαρμάκων (Lamontagne et al., 2008; Müller et al., 2006).

Τροποποιημένα άκρα AFM μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως τρυπάνια ή στυλό: η νανοεπεξεργασία αφαιρεί υλικό με τη μορφή επίμηκων περιελιγμένων ρινισμάτων (Gozen & Ozdoganlar, 2010), ενώ η νανολιθογραφία είναι η ελεγχόμενη ενσωμάτωση μοριακού ή υγρού «μελανιού». Στη χημεία και στις βιοεπιστήμες, η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται για την παραγωγή νανοαισθητήρων ή, με τη χρήση νανοδομών από μέταλλο, ημιαγωγούς και οξείδια μετάλλων, λειτουργικά νανοκυκλώματα ή νανοσυσκευές (Basnar & Willner, 2009). Αυτό, σε συνδυασμό με τη χρήση του άκρου AFM για την τοποθέτηση νανοσωματιδίων σε επιθυμητές θέσεις, ανοίγει το δρόμο για την ελαχιστοποίηση του μεγέθους ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και άλλων δομών.

Παρά τις απεριόριστες εφαρμογές – αυτές είναι μόνο ένα μικρό δείγμα – οι ικανότητες του AFM δεν εξαντλούνται. Μελλοντικές τάσεις αφορούν βελτιωμένα άκρα και συνδυασμούς με άλλες τεχνικές, για παράδειγμα για τον ταυτόχρονο καθορισμό επιφανειακής δομής και φθορισμού ή ηλεκτρικών ιδιοτήτων (Müller et al., 2006). Η ταχύτητα είναι άλλο θέμα: πρόσφατα, αναπτύχθηκε ένα AFM με το οποίο βιολογικές διεργασίς όπως χρωμοσωμική αντιγραφή και συσσώρευση, φαγοκύττωση και πρωτεϊνοσύνθεση μπορούν να μελετηθούν σε αληθινό χρόνο, μέχρι και 1000 φορές ταχύτερα απ’ό,τι προηγουμένως (Ando et al., 2008).

Ενδιαφέρεστε τώρα να βρείτε τις δικές σας εφαρμογές για το AFM; Τότε προσπαθήστε να ακολουθήσετε τις οδηγίες του Philippe Jeanjacquotw2 για τη δημιουργία του δικού σας οργάνου στο σχολείο. Απαιτεί πολύ χρόνο, αλλά ο ίδιος και οι μαθητές του κατασκεύασαν ένα χαμηλού κόστους μικροσκόπιο. Υπάρχει κάτι σημαντικό όμως: χρειάζεστε ένα περιβάλλον χωρίς δονήσεις για την τοποθέτησή του, όπως ένα ήσυχο κελάρι. Αν το βρείτε, ο ενθουσιασμός και η δημιουργικότητά σας είναι τα μόνα όρια.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Al-Ahmad A et al. (2010) Biofilm formation and composition on different implant materials in vivo. Journal of biomedical materials research. Part B, Applied Biomaterials 95(1): 101-109. doi: 10.1002/jbm.b.31688
  • Ando T et al. (2008) High-speed AFM and nano-visualization of biomolecular processes. Pflügers Archiv: European journal of physiology 456(1): 211-225. doi: 10.1007/s00424-007-0406-0
  • Basnar B, Willner I (2009) Dip-pen-nanolithographic patterning of metallic, semiconductor, and metal oxide nanostructures on surfaces. Small 5(1): 28-44. doi: 10.1002/smll.200800583
  • de Farias Viégas Aquije GM et al. (2010) Cell wall alterations in the leaves of fusariosis-resistant and susceptible pineapple cultivars. Plant Cell Reports 29(10): 1109-1117. doi: 10.1007/s00299-010-0894-9
  • Finlay JA et al. (2010) Barnacle settlement and the adhesion of protein and diatom microfouling to xerogel films with varying surface energy and water wettability. Biofouling: The Journal of Bioadhesion and Biofilm Research 26(6): 657-666. doi: 10.1080/08927014.2010.506242
  • Gozen BA, Ozdoganlar OB (2010) A rotating-tip-based mechanical nano-manufacturing process: nanomilling. Nanoscale Research Letters 5(9): 1403-1407. doi: 10.1007/s11671-010-9653-7. The full text article is freely available online.
  • Kimyai S et al. (2011) Effect of three prophylaxis methods on surface roughness of giomer. Medicina Oral, Patología Oral y Cirugía Bucal 16(1): e110-e114. doi: 10.4317/medoral.16.e110. The full text article is freely available online.
  • Kolind K et al. (2010) A combinatorial screening of human fibroblast responses on micro-structured surfaces. Biomaterials 31(35): 9182-9191. doi: 10.1016/j.biomaterials.2010.08.048
  • Lamontagne CA, Cuerrier CM, Grandbois M (2008) AFM as a tool to probe and manipulate cellular processes. Pflügers Archiv: European journal of physiology 456(1): 61-70. doi: 10.1007/s00424-007-0414-0
  • Lee GJ et al. (2010) A quantitative AFM analysis of nano-scale surface roughness in various orthodontic brackets. Micron 41(7): 775-782. doi: 10.1016/j.micron.2010.05.013
  • Lyubchenko YL et al. (2010) Nanoimaging for protein misfolding diseases. Wiley Interdisciplinary Reviews (WIREs). Nanomedicine and Nanobiotechnology 2(5): 526-543. doi: 10.1002/wnan.102
  • Müller DJ et al. (2006) Single-molecule studies of membrane proteins. Current Opinion in Structural Biology 16(4): 489-495. doi: 10.1016/j.sbi.2006.06.001
  • Padial-Molina M et al. (2011) Role of wettability and nanoroughness on interactions between osteoblast and modified silicon surfaces. Acta biomaterialia 7(2): 771-778. doi: 10.1016/j.actbio.2010.08.024
  • Poggio C et al. (2010) Impact of two toothpastes on repairing enamel erosion produced by a soft drink: an AFM in vitro study. Journal of Dentistry 38(11): 868-874. doi: 10.1016/j.jdent.2010.07.010
  • Tatalovic M (2010) Θανατηφόρες Πρωτεΐνες: πράιονς. Science in School 15: 50-54. www.scienceinschool.org/2010/issue15/prions/greek
  • Thie M et al. (1998) Interactions between trophoblast and uterine epithelium: monitoring of adhesive forces. Human Reproduction 13(11): 3211-3219. doi: 10.1093/humrep/13.11.3211. The full text article is freely available online.

Web References

  • w1 – Για να μάθετε περισσότερα για την ανακάλυψη του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας, που έδωσε στους Gerd Binnig και Heinrich Rohrer το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1986, δείτε: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986
  • w2 – Οι οδηγίες για να κατασκευάσετε το δικό σας μικροσκόπιο ατομικής δύναμης στο σχολείο θα είναι σύντομα διαθέσιμες εδώ. Αν στείλετε email στο editor@scienceinschool.org, θα σας ενημερώσουμε όταν είναι έτοιμες.

Resources

  • Ελβετοί επιστήμονες ανέπτυξαν το πρώτο AFM για την πλανητική επιστήμη, που αποτελεί τμήμα της αποστολής Phoenix της NASA στον Άρη. Για ένα εισαγωγικό βίντεο, δείτε την ιστοσελίδα Azonano (www.azonano.com) ή ακολουθήστε το σύνδεσμο: http://tinyurl.com/6yguvb9
  • Το ‘Universe today’ μιλάει για την επιτυχία του οργάνου στην αποστολή. Δείτε την ιστοσελίδα (www.universetoday.com) ή ακολουθήστε το σύνδεσμο: χιόνι στον Άρη (http://tinyurl.com/6kp3rym) και αρειανοί κόκκοι σκόνης (http://tinyurl.com/64z6xrb)

Author(s)

Ο Δρ Patrick Theer είναι φυσικός που πέρασε το μεγαλύτερο τμήμα της καριέρας του αναπτύσσοντας τεχνικές μικροσκοπίων. Αφού σπούδασε ιατρική φυσική στο Βερολίνο, Γερμανία, στο Τορόντο, Καναδάς, και στο Guildford, Ηνωμένο Βασίλειο, μπήκε στο πεδίο μη γραμμικής οπτικής για διδακτορικό στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, Γερμανία, μελετώντας το όριο βάθους στο μικροσκόπιο δύο φωτονίων – μία μέθοδο που παρέχει πληροφορίες από πολύ βαθιά σημεία μέσα σε ιστούς. Για τη μεταδιδακτορική του έρευνα, πήγε στο Πανεπιστήμιο της Washington, Seattle, ΗΠΑ, μελετώντας χρωστικές ευαίσθητες στα βολτ, με τη χρήση μικροσκοπίου δεύτερης αρμονικής. Τώρα, δουλεύει ως ανώτερος βοηθός έρευνας στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL) στη Χαϊδελβέργη, αναπτύσσοντας ένα μικροσκόπιο φθορισμού για τη μελέτη της εμβρυικής ανάπτυξης.

Η Δρ. Marlene Rau γεννήθηκε στη Γερμανία και μεγάλωσε στην Ισπανία. Μετά τη λήψη του διδακτορικού της στην αναπτυξιακή βιολογία στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας (EMBL), μελέτησε δημοσιογράφια και μπήκε στον τομέα της επικοινωνίας της επιστήμης. Από το 2008, είναι μία από τους εκδότες του Science in School.


Review

Το άρθρο είναι κατάλληλο για ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών μαθημάτων – όχι μόνο στη φυσική αλλά και για τη φυσιολογία ζώων ή τις βιοϊατρικές επιστήμες, για παράδειγμα. Οι μαθητές μπορούν να ερευνήσουν περαιτέρω τη μικροσκοπία ατομικής δύναμης και τις χρήσεις της, καθώς υπάρχει πολύ υλικό στο διαδίκτυο για τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα διαφόρων τεχνικών μικροσκοπίας. Μπορούν επίσης να αναζητήσουν την ομάδα επιστημόνων που εφηύραν το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (που κέδρισαν το Βραβείο Νόμπελ για μία προηγούμενη εφεύρεσή τους) και να μάθουν περισσότερα για τους ίδιους και τη δουλειά τους.

Πιθανές ερωτήσεις κατανόησης είναι:

  1. Ποιοι ήταν οι περιορισμοί της μικροσκοπίας σάρωσης σήραγγας;
  2. Ποιο μικροσκόπιο αναπτύχθηκε για να ξεπεραστούν τα προβλήματα της μικροσκοπίας σάρωσης σήραγγας;
  3. Εξηγήστε πώς το AFM είναι σαν δίσκος βινυλίου (έχετε υπόψη σας ότι κάποιοι μαθητές μπορεί να μη γνωρίζουν τι είναι οι δίσκοι βινυλίου).
  4. Εξηγήστε τον όρο biofouling.
  5. Γιατί είναι πρόβλημα το biofouling;
  6. Δώστε παραδείγματα χρήσεων του AFM.
  7. Τι θα μελετούσατε αν είχατε ένα AFM;

Το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ομάδες μεγαλύτερων μαθητών ή αυτών που μπορούν να σκεφτούν δημιουργικά, ίσως για τη σύνταξη μίας έκθεσης σε συνδυασμό με την ταινία Αγάπη μου συρρίκωσα τα παιδιά (που αφορά έναν επιστήμονα που δουλεύει πάνω σε μία μυστική μηχανή που κάνει μικροσκοπικά τα πράγματα και – κατά λάθος – τους ανθρώπους), για να σκεφτούν οι μαθητές για την παρατήρηση μεμονωμένων μορίων. Πού θα χρησιμοποιούσαν το AFM; Θα χρησιμοποιούσαν τις φωτογραφίες για τέχνη ή επιστημονική έρευνα; Θα χρησιμοποιούσαν τη γνώση για την ίαση ασθενειών ή για να δουν πόσο όμορφη είναι η επιστήμη στο επίπεδο αυτό;


Jennie Hargreaves, Ηνωμένο Βασίλειο




License

CC-BY-NC-ND