Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna.
Ugye csodálatos lenne egyenként megfigyelni és mozgatni a molekulákat? Patrick Theer és Marlene Rau az European Molecular Biology Laboratory munkatársai elmagyarázzák, hogy hogyan lehet ezt megvalósítani egy atomerő mikroszkóppal. Sőt, arról is kapunk információkat, hogyan állíthatunk össze saját magunk ilyen eszközt.
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 1986w1-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 utasításaiw2 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.