Mikroszkóp alatt az egyes molekulák

Száz éven keresztül foglalkoztatta a tudósokat az a kérdés, hogy hogyan lehetne észlelni az egyes molekulákat vagy atomokat. Ezt a nagyratörő célt először 1981-ben sikerült elérni az alagútelektron-mikroszkóppal, amelynek kifejlesztéséért Gerd Binnig és Heinrich Rohrer, az IBM Research Laboratory (Svájc, Rüschlikon) kutatói 1986^w1-ban Nobel díjat kaptak. Azonban e mikroszkóp alkalmazásának komoly korlátját jelenti, hogy csak elektromosan vezető objektumokat lehet vele vizsgálni, ezért sok érdekes anyagot, többek között biomolekulákat nem. Binnig és munkatársai tovább folytatták a munkát, hogy még jobb megoldást találjanak, így fejlesztették ki 1986-ra az atomerő mikroszkópot (AFM), amely elektromosan vezető és nem vezető anyagoknál egyaránt alkalmazható.

Ez a műszer nem úgy működik, mint egy lemezjátszó, amelynél egy éles tű tapogatja végig a műanyag lemezt, hogy újra előállítsa a hangot (ld. a jobboldali képet). Az AFM nem ‘látja’, hanem inkább ‘érzi’ az atomokat: a felszín szerkezetét egy flexibilis konzolos tartó végén lévő nagyon hegyes kúppal (általában szilíciumból vagy szilícium-nitridből készült) végigtapogatják, amely a felszín legapróbb részleteit is érzékeli. Amikor a tű hegye, amely egyetlen atomból áll, közel kerül a minta felszínéhez, megváltozik annak helyzete, a fellépő erőhatások miatt: ez lehet mechanikai kölcsönhatás, van der Waals erő, kapilláris erő, kémiai kötés, elektroszatikus, mágneses, Casimir, vagy oldódásnál fellépő erő, a minta természetétől függően.

Mivel az AFM sokféle erőt tud mérni, ezért széles körben használható, így robbanásszerűen megnőhet az eszközt alkalmazó tudósok száma – főként, de nem kizárólag az anyagtudományok és a biológia területén. Az elhajlást okozó erő minden esetben nagyon kicsi és arányos a felszíntől mért távolsággal.

Hogyan lehet megmérni ezt a nagyon kis elhajlást? A fejlesztők egy okos trükköt alkalmaztak: lézerfényt vetítenek a konzolos tartó csúcsára, ahonnan az visszaverődik egy helyzet-érzékelő fénydetektorra. A tartó elhajlása miatt (ld. a 61. oldal ábráján ∆h) a fénypont helyzete a detektoron megváltozik (ld. a baloldali ábrán ∆H), amely változás a detektor és a tartó közötti távolsággal arányos. Ha elég távol vannak egymástól, akkor már egy kis elhajlás is mérhető, amely lehetővé teszi azt, hogy a felszín szerkezetét atomról atomra tanulmányozzuk.

Az atomerő mikroszkópnak rengeteg alkalmazása van. Nézzünk neg röviden ezek közül néhányat. Eredetileg arra fejlesztették ki az AFM-et, hogy segítségével különböző szerkezetek felületét igen részletesen meg tudják figyelni és elemezni – nemcsak tudományos kutatásra alkalmazzák, hanem gyakorlati célra is: egyes mikroorganizmusok, növények, algák és/ vagy állatok (például kagylók) nedves felületeken nagy mennyiségben megtelepednek, biológiai szennyeződést okozva. A hajótestre rakódó nagymennyiségű szennyeződés növeli a közegellenállást, és ezáltal az üzemanyag-felhasználást is. A bioszennyeződés a membrán bioreaktoroknál, az erőművek és egyes olajvezetékek vízhűtésénél is előfordul. A kutatók az AFM-et a bioszennyeződés mérésére használják és ennek a segítségével összehasonlítják a különböző anyagok bioszennyeződést gátló hatását, hogy megtalálják az ideális anyagot (Finlay et al., 2010).

Az AFM-et a mezőgazdaságban is használják: az ananászt gyakran megtámadja egy fusariosis nevű gombabetegség. A tudósok összehasonlították a fertőzésnek ellenálló termések sejteinek a felszíni szerkezetét a megfertőzőtt termésekével és azt tapasztalták, hogy a mechanikai tulajdonságaik jelentősen eltérnek egymástól. Ennek a vizsgálatnak a segítségével ki lehet választani és ki lehet fejleszteni azokat a fajtákat, amelyek a megfelelő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek (de Farias Viégas Aquije és mások, 2010).

Fontosak-e a felszíni szerkezetek az emberi egészség szempontjából? A válasz igen: az AFM-et gyakran alkalmazzák a fogászatban, például a különböző fogkőeltávolító módszerek hatékonyságának vizsgálatánál, vagy azt tanulmányozzák, hogy a fogszabályozó felszínének érdessége milyen hatással van az eszköz hatékonyságára; vagy azt mérik meg a segítségével, hogy az üdítőitalok savtartalma milyen mértékben károsítja a fogzománcot és tesztelik a különböző fogkrémek hatékonyságát a sérülés helyreállításában (Kimyai és mások, 2011; Lee és mások, 2010; Poggio és mások, 2010).

Másik fontos alkalmazási terület a regeneratív orvoslásnál az új bioanyagok kifejlesztése: a felszíni tulajdonságok, mint a nedvesíthetőség, az érdesség, a felszíni energia, a felszín töltése, a kémiai reakcióképesség és a kémiai összetétel befolyásolja azoknak a sejteknek a viselkedését, amelyek az anyaggal érintkezésbe kerülnek. Így az AFM-et például olyan anyagok kifejlesztésénél használják, amelyeknél feltétel, hogy befogadja a szervezet, így implantátumok, pl. csípőprotézis anyagának előállításánál (Al-Ahmad et al., 2010; Kolind és mások, 2010; Padial-Molina és mások, 2011).

Az AFM orvosbiológiai alkalmazásának egy másik területe a fehérjék – mint például α-synuclein, insulin, prionok, glucagon és β-amyloid – hibás felgombolyodásának (folding) és aggregációjának vizsgálata. Régóta ismert, hogy ezeknek szerepe van egyes degeneratív betegségek, mint pl. a II. típusú cukorbetegség, a Parkinson-kór, a szivacsos agysorvadás (kergemarhakór), a Huntington-kór és az Alzheimer-kór kialakulásánál. Az AFM fontos információt nyújt az aggregátumok nano-skálájú struktúrájáról, és remélhető, hogy a kutatók fel tudják használni az AFM-et annak feltárására, hogy miért történik meg a fehérje hibás felgombolyodása először és miért veszik át a környező fehérjemolekulák is ezt a hibás szerkezetet (Lyubchenko és mások, 2010; a prion hibás felgombolyodásának magyarázatára ld.: Tatalovic, 2010).

További biológiai folyamat, amelyet az AFM-el tanulmányoztak: hogyan jön létre a kölcsönhatás az emberi trofoblaszt sejtek ( a hólyagcsíra állapotban lévő embriót körbefogó külső réteg, amely felszívja a tápanyagokat és amelyből a placenta nagyrészt kifejlődik) és a méhfal epiteliális sejtjei között – amely alapja az embrió sikeres beágyazódásának (Thie és mások, 1998).

Csupán egy kis lépést kellett megtenni attól, hogy az AFM-et vizsgálatra használták, addig, hogy manipulálják vele az atomokat, a molekulákat vagy a nano-skálájú struktúrákat. Például az AFM-et lehet nano-csipeszként használni, amelynek segítségével a sejthártya pontosan kijelölt régióit lehet vizsgálni; egyes fehérje részeket el lehet távolítani, így a molekula belsejében lévő fehérje szerkezetét fel tudják térképezni; valamint különálló molekulákat új konformációs állapotba lehet juttatni, hogy meghatározzák a rugalmasságukat.

A következő nagy lépés az lesz, amikor az AFM-et nanosebészetre használják: a sejt citoplazmájába bejuttatnak vagy onnan kiemelnek egy különálló molekulát azért, hogy tanulmányozzák a sejtek homeosztázisát, vagy a sejtek belsejében történő gyógyszer-áramlást (Lamontagne és mások, 2008; Müller és mások, 2006).

A módosított AFM készülék hegyét fúróként illetve tollként is lehet használni: a nano-milling eljárás során egy hosszú megcsavarodott csipszhez hasonló formában lehet eltávolítani az anyagot (Gozen & Ozdoganlar, 2010). A nanolitográfia során a molekuláris “tinta” kontrollált felvitele történik a toll segítségével. A kémiában és az élettudományokban ezt a technológiát nanoérzékelők előállítására használják, illetve fém, félvezető vagy fém-oxid nanoszerkezetek elmozdítása révén nanoáramkörök és nanoeszközök létrehozására (Basnar & Willner, 2009). Ezt az eljárást az AFM-el kombinálva a nanométer méretű részecskéket az óhajtott helyre lehet lökni, ezáltal miniatűr elektronikus áramköröket és más szerkezeteket lehet készíteni.

Az alkalmazások nagy száma ellenére – csupán egy néhány példát soroltunk fel – az AFM által kínált lehetőségeket még korántsem használták ki teljesen. A jövőben olyan alkalmazások várhatók, amelyeknél a továbbfejlesztett tűhegyet egyéb technikai megoldásokkal kombinálják, például különleges felszíni szerkezetet vagy fluoreszkáló vagy elektromos tulajdonságokat alakítanak ki (Müller és mások, 2006). A másik lehetőséget a nagy sebesség jelenti: olyan AFM-et fejlesztettek ki, amellyel olyan biológiai folyamatokról lehet képeket készíteni valóságos időben, mint például a kromoszómák másolása és szétválása, vagy a fagociták és a fehérjék szintézise. Így a régebben elért sebesség 1000-szerese válik elérhetővé (Ando és mások, 2008).

Szeretnéd-e a saját AFM alkalmazásod elkészíteni? Ha igen, akkor Philippe Jeanjacquot utasításai^w2 alapján az iskolában elkészítheted a saját berendezésed. Ez egy időigényes projekt, azonban neki és a tanítványainak sikerült a lehetséges legolcsóbb mikroszkópot elkészíteniük. Az nagyon fontos, hogy a megvalósításhoz egy rezgésmentes helyszínre van szükség, ilyen például egy csendes pince. Ha ez rendelkezésre áll, akkor az alkalmazásnak már csak a lelkesedés és a leleményesség szabhat határt.