Mikroszkóp alatt az egyes molekulák Understand article

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,…

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.

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. 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 References

  • 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.

Resources

  • 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)

Author(s)

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.


Review

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




License

CC-BY-NC-ND