• About Science in School
  • About EIROforum
  • Submit an article
Science in School
Science in School
  • Understand
    • Recent research and science topics
      • Astronomy / space
      • Biology
      • Chemistry
      • Earth science
      • Engineering
      • General science
      • Health
      • History
      • Mathematics
      • Physics
      • News from the EIROs
      • Science and society
  • Inspire
    • People, events and resources
      • Advertorials
      • Back in the staffroom
      • Event reports
      • Resource reviews
      • Science in films
      • Scientist profiles
      • Spotlight on education
      • Teacher profiles
  • Teach
    • Activities and projects
      • Astronomy / space
      • Biology
      • Chemistry
      • Earth science
      • Engineering
      • General science
      • Health
      • History
      • Mathematics
      • Physics
      • Science and society
  • Archive
  • Login
  • Contact
Korosztály:
14-16, 16-19
Issue 18
 -  04/11/2011

Mikroszkóp alatt az egyes molekulák

Patrick Theer, Marlene Rau

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.

A képeket Henrik5000 /
iStockphoto szíves
hozzájárulásával közöljük

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.

A tű egy műanyag lemez
fölött helyezkedik el, készen
arra, hogy letapogassa a
felszínt, és így hangot
hozzon létre

A képeket arbobo szíves
hozzájárulásával közöljük; a
kép forrása: Flickr

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.

Az AFM csúcs elhajlásának
felnagyítása és mérése. A
nagyobb méretű változatért
kattintson a képre

A képeket Patrick Theer szíves
hozzájárulásával közöljük

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.

Bioszennyeződéssel borított
hajók

A képeket lovestruck szíves
hozzájárulásával közöljük; a
kép forrása: Flickr

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).

A képeket Frantysek /
iStockphoto szíves
hozzájárulásával közöljük

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-nek sokféle,
fogakkal kapcsolatos
alkalmazása van

A képeket webking /
iStockphoto szíves
hozzájárulásával közöljük

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).

Az Európai Szinkrotron-
sugárzási Létesítmény
(European Synchrotron
Radiation Facility, ESRF)
kifejlesztett egy kifejezetten
röntgen-sugárral működő
atomerő mikroszkópot.
Ennek az egyik lehetséges
felhasználása a nano méretű
tárgyak pontos behelyezése a
röntgen-sugárba. Ez nem
könnyű feladat, mivel a
röntgen-sugár és a vizsgált
objektum keresztmetszete
egyaránt 100 nm vagy annál
kisebb

A képeket ESRF / Small Infinity
szíves hozzájárulásával
közöljük

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.

 

Hivatkozások

  • 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. A teljes cikk online ingyen elérhető.
  • 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. A teljes cikk online ingyen elérhető.
  • 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) Deadly proteins: prions. Science in School 15: 50-54. www.scienceinschool.org/2010/issue15/prions
  • 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. A teljes cikk online ingyen elérhető.

Web hivatkozások

  • w1 – További információkat találhat az alagútelektron-mikroszkóppal kapcsolatban, amelynek feltalálásáért Gerd Binnig és Heinrich Rohrer 1986-ban elnyerte a fizikai Nobel díjat, ld.: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986
  • w2 – Az iskolában össze tudják állítani a saját AFM készüléküket, ehhez segítséget nyújtanak a Word® dokumentumban vagy PDF file-ban letölthető útmutatások.

Forrás irodalom Or Felhasznált irodalom Or Irodalomjegyzék

  • Az első AFM-et svájci tudósok fejlesztették ki, a bolygók tanulmányozása céljából, a NASA Marsra irányuló Phoenix missziójának részeként. Videó felvételt az Azonano weboldalon talál (www.azonano.com) vagy kattintson a következő közvetlen linkre: http://tinyurl.com/6yguvb9
  • A ‘Universe today’ (Az Univerzum ma) bemutatja a küldetés során felhasznált eszközök fejlesztését. A következő weboldalon találja meg (www.universetoday.com), vagy kattintson a következő közvetlen linkekre: hó a Marson (http://tinyurl.com/6kp3rym), vagy porszemcsék a Marson (http://tinyurl.com/64z6xrb)

Szerző

Dr Patrick Theer fizikus, aki pályafutásának nagy részében a mikroszkópi technikák fejlesztésével foglalkozott. Miután orvosi fizikát tanult a németországi Berlinben, a kanadai Torontóban, és az angliai Guildfordban, a nemlineáris optika területén végzett kutatásokat a PhD megszerzéséhez Németországban, a Heidelbergi Egyetemen: azt tanulmányozta, hogy milyen maximális mélységben lehet képet alkotni a kétfoton mikroszkópia alkalmazásával. Ez egy olyan optikai módszer, amely az élő szövetben történő fényszórás segítségével a nagyon mélyen lévő rétegekről alkot képet. Posztdoktori munkáját az USA –ban, Seattle-ben a University of Washington-ban végezte: feszültségre érzékeny festékeket tanulmányozott második generációs harmonikus mikroszkóp segítségével. Jelenleg senior research assistant-ként dolgozik a European Molecular Biology Laboratory-ban Heidelbergben: az embriók fejlődésének tanulmányozására fejleszti a light-sheet-based fluorescence mikroszkópot.

Dr Marlene Rau Németországban született és Spanyolországban nőtt fel. Miután megszerezte a Phd-t az European Molecular Biology Laboratory-ban, újságírást tanult és azóta természettudományos kommunikációval foglalkozik. 2008 óta a Science in School szerkesztője.

CC-BY-NC-ND
Log in to post a comment

Print issues

  • Current issue
  • Archive

Tools

  • Download article (PDF)
  • Print
  • Share

Ismertetés

Ezt a cikket sokféle természettudomány órán fel lehet használni – nemcsak fizikaórán, hanem például az élő szervezetekben lezajló folyamatokról szóló fejezeteknél vagy orvosbiológiai témaköröknél is. A tanulók az Interneten további ismereteket szerezhetnek az atomerő mikroszkópról és egyéb felhasználásairól, valamint a különböző mikroszkópok alkalmazásának előnyeiről és hátrányairól. Megismerhetik annak a tudóscsoportnak a munkásságát is, akik felfedezték az atomerő mikroszkópot (egy előzetes találmányukért Nobel díjban részesítették őket).

Kérdések, amelyekkel a cikk megértését lehet ellenőrizni:

  1. Mi az alagútelektron-mikroszkóp alkalmazásának korlátja?
  2. Milyen eszközt fejlesztettek ki, amely kiküszöböli az alagútelektron-mikroszkóppal kapcsolatos problémákat?
  3. Hasonlítsa össze a bakelit hanglemez lejátszásának módját és az AFM működését (vegye figyelembe, hogy a tanulók egy része nem ismeri a a bakelit lemezeket).
  4. Magyarázza meg a bioszennnyezés fogalmát.
  5. Miért jelent problémát a bioszennnyezés?
  6. Soroljon fel példákat az AFM lehetséges felhasználására.
  7. Ha a rendelkezésére állna egy AFM berendezés, mit vizsgálna meg vele?

Ezt a cikket idősebb, vagy kreatívan gondolkodó tanulók esetében lehet felhasználni. Például a Honey I Shrunk the Kids (Drágám, a kölykök összementek) c. filmmel kapcsolatos fogalmazási feladathoz. (A film egy tudósról szól, aki egy olyan titkos eszköz kifejlesztésén dolgozik, amely lekicsinyíti a tárgyakat és – néha véletlenül – az embereket is.) A tanulók képzeljenek el egyetlen molekulát. Mire használna szívesen egy AFM berendezést? Mire használná a megszerzett ismereteket: betegségek kezelésére vagy annak bemutatására, hogy milyen gyönyörű a tudomány?

Jennie Hargreaves, Egyesült Királyság
Fizika, Biologia, Orvostudomány, Élettan

Korosztály:
14-16, 16-19

Kiegészítő anyagok

  • Microsoft Office document icon Atomerő mikroszkóp összeállítása az iskolában (Word)
  • PDF icon Atomerő mikroszkóp összeállítása az iskolában (Pdf)

Kapcsolódó cikkek

  • Ki tudnál szűrni egy rákot okozó mutációt?
  • Mit tudunk az éghajlatról? Az ember által okozott, globális felmelegedést okozó hatások vizsgálata
  • A tudomány elveszett 1000 éve
  • Riport Steve Jones-szal: a kreacionizmus veszélye
  • Mikrokémia: iskolai kísérletek

Login / My account

Create new account
Forgot password


Subscribe (free)

Please login or create an account to be able to subscribe.

Contact us

Please contact us via our email address editor@scienceinschool.org.

  • More contact details

Get involved

  • Submit an article
  • Review articles
  • Translate articles
  • Advertise

Support Science in School


Tweets by Science in School

Tweets by @SciInSchool
EIROforum members:
CERN European Molecular Biology Laboratory European Space Agency European Southern Observatory
European Synchrotron Radiation Facility EUROfusion European XFEL Institut Laue-Langevin


EIROforum
Published and funded by EIROforum


  • About Science in School
  • About EIROforum
  • Imprint
  • Copyright
  • Safety note
  • Disclaimer
  • Archive
  • Advertise
  • Donate
  • Contact
  • Facebook
  • Twitter
ISSN 1818-0361

CERN
European Molecular Biology Laboratory
European Space Agency
European Southern Observatory
European Synchrotron Radiation Facility
EUROfusion
European XFEL
Institut Laue-Langevin
EIROforum

Published and funded by EIROforum
  • About Science in School
  • About EIROforum
  • Imprint
  • Copyright
  • Safety note
  • Disclaimer
  • Archive
  • Advertise
  • Donate
  • Contact
  • Facebook
  • Twitter
ISSN 1818-0361