Pojedinačne molekule pod mikroskopom Understand article

Prevela Sara Todorović, Biološki fakultet, Univerzitet u Beogradu. Zar ne bi bilo fascinantno proučavati i manipulisati pojedinačnim molekulama? Patrick Theer i Marlene Rau iz Evropske laboratorije molekularne biologije (European Molecular Biology Laboratory) objašnjavaju kako, sa…

Slika dobijena od Henrik5000 /
iStockphoto

Ideja o posmatranju pojedinačnih molekula ili atoma fascinira naučnike već više od stotinu godina. Ovaj ambiciozni cilj prvo je postignut 1981.godine sa izumom skenirajuće tunelne mikroskopije, za koji su Gerd Binning i Heinrich Rohrer iz IBM istraživačke laboratorije (IBM Research Laboratory) iz Rašlikona, Švajcarska, bili nagrađeni Nobelovom nagradom iz Fizike nekoliko godina kasnije, 1986w1. Ovaj mikroskop ipak ima ozbiljna ograničenja: radi samo na objektima koji provode elektricitet, tako da mnogi interesantni materijali, uključujući biomolekule, ne mogu biti proučavani. Binning i njegove kolege nastavili su da traže bolje rešenje i 1986.godine predstavili su mikroskop atomskih sila (AFM), koji može biti korišćen za snimanje i provodljivih

Igla se nalazi iznad vinilske
ploče, spremna da otpočne
skeniranje njene površine
radi produkcije zvuka

Slika dobijena od arbobo;
poreklo slike: Flickr

Aparat radi ne mnogo drugačije od gramofona, kod koga oštra igla skenira vinilsku ploču da bi proizvela zvuk (pogledajte sliku desno). AFM „oseća“ atome, pre nego li ih „vidi“: struktura površine skenira se vrlo oštrom kupom (uglavnom od silicijuma ili od silicijum nitrida) na kraju fleksibilnog nosača koji može pratiti čak i najmanje detalje površine. Kada se vrh, koji se sastoji od jednog jedinog atoma, približi površini uzorka, biva skrenut zbog sila koje se javljaju između njega i uzorka: to mogu biti sile mehaničkog kontakta, van der Valsove sile, kapilarne sile, hemijsko vezivanje, elektrostatičke sile, Kazimirove sile, sile rastvaranja ili druge, zavisno od prirode uzorka.

S obzirom na raznovrsnost sila koje se mogu meriti sa AFM, on je vrlo svestran i stoga je doveo do eksplozije u broju naučnika koji koriste taj aparat – uglavnom, ali ne i samo, u naukama o materijalima i biologiji. U svakom slučaju, sila koja uzrokuje skretanje je veoma mala i proporcionalna rastojanju vrha kupe od površine.

Kako su skretanja vrha AFM
uveličana i izmerena. Kliknite
na sliku da biste je uvećali

Slika dobijena od Patrick Theer

Kako ova sitna skretanja mogu biti izmerena? Pronalazači su iskoristili pametan trik: laserska tačka se usmeri na vrh nosača kupe odakle se laser reflektuje na svetlosni detektor osetljiv na promene u poziciji. Promena u poziciji laserske tačke na detektoru (pogledajte dijagram levo, ∆H) zbog skretanja nosača (pogledajte dijagram na strani 61, ∆h) proporcionalna je rastojanju između detektora i nosača. Sa dovoljno velikim rastojanjima između njih, čak i najsitnija skretanja se mogu izmeriti, čineći mogućim proučavanje strukture površina, atom po atom.

Brodovi sa obraštajima
Slika dobijena od lovestruck;
poreklo slike: Flickr

Originalno, AFM je razvijen za detaljno proučavanje i analizu povšine struktura – ne samo da je ovo interesantno za istraživanja, već može imati i direktnih ekonomskih povoljnosti: na primer, obraštaj predstavlja nepoželjnu akumulaciju mikroorganizama, biljaka, algi i/ ili životinja (na primer račića vitičara iz grupe Cirripedia) na vlažnim strukturama. Na trupovima brodova, visok nivo ovakvih obraštaja može povećati otpor vode i time znatno povećati potrošnju goriva, a problem su i u membranskim bioreaktorima, ciklusima za hlađenje vode u elektranama i određenim naftovodima. Naučnici koriste AFM da izmere stepen obraštaja i tako uporede aktivnost različitih supstanci protiv obraštaja, kako bi pronašli idealan materijal (Finlay et al., 2010).

Slika dobijena od Frantysek /
iStockphoto

Slično, AFM ima primenu i u agrikulturi: biljke ananasa često pate od gljivičnog oboljenja zvanog fusariosis. Naučnici su uporedili strukturu površine ćelija sorti ananasa koje su otporne na ovu bolest sa onima koje su joj podložne i otkrili su da imaju drugačije mehaničke osobine. Ovo otkriće može biti iskorišćeno za odabir i poboljšavanje otpornih vrsta koje imaju odgovarajuće mehaničke osobine (de Farias Viégas Aquije et al., 2010).

Da li je struktura površine bitna i za zdravlje ljudi? Odgovor je da: proučavanja sa AFM se često koristi u stomatologiji, na primer za poređenje efikasnosti različitih metoda za uklanjanje kamenca i fleka; za merenje hrapavosti površine proteza da bi se ustanovilo kako to utiče na efikasnost, da bi se odredila količina erozije zubne gleđi prouzrokovane kiselinom u bezalkoholnim pićima, kao i da se testira efikasnost različitih zubnih pasti u popravljanju ovih oštećenja (Kimyai et al., 2011; Lee et al., 2010; Poggio et al., 2010).

Ostale medicinske primene uključuju razvoj novih biomaterijala u regenerativnoj medicini: njihove osobine kao što su hidrofilnost, hrapavost površine, kritična površinska energija, površinska naelektrisanost, hemijske funkcionalnosti i struktura mogu odrediti ponašanje ćelija sa kojima će dolaziti u kontakt. Tako, AFM može biti korišćen za, na primer, pomoć pri dizajniranju biomaterijala koje telo neće odbaciti i koji se mogu koristiti kao medicinski implanti, kao što su na primer veštački kukovi(Al-Ahmad et al., 2010; Kolind et al., 2010; Padial-Molina et al., 2011).

AFM ima čitav niz primena u
vezi sa zubima

Slika dobijena od webking /
iStockphoto

Još jedno veliko polje primene AFM u medicinskoj biologiji jeste kod neadekvatnog savijanja i agregacije proteina kao što su α-sinuklein, insulin, prioni, glukagon and β-amiloid. Ovi fenomeni se već odavno povezuju sa nekim degenerativnim bolestima kao što su dijabetes tipa II, Parkinsonova bolest, spongiformna encefalopatija („bolest ludih krava“), Hantingtonova bolest i Alchajmer. Ovde je AFM već obezbedila važne informacije o nano-strukturi agregata i nadamo se da će naučnici biti u mogućnosti da iskoriste AFM da otkriju, na prvom mestu, zašto se protein pogrešno savija i kako to podstiče proteine iz okruženja da prihvate tu loše savijenu strukturu (Lyubchenko et al., 2010; za objašnjenje nepravilnog savijanja priona pogledajte Tatalovic, 2010).

The European Synchrotron
Radiation Facility je razvila
mikroskop atomskih sila
(AFM) specijalno za
rentgenske X- zrake. Jedna
od mogućih primena jeste
pozicioniranje nano-objekata
precizno pred rentgenski
zrak. Ovo nije trivijalan
zadatak s obzirom na to da
predmet koji se proučava i
rentgentski zrak imaju
dimenzije 100 nm ili manje
po širini

Slika dobijena od ESRF / Small
Infinity

Dalje biološke interakcije koje su bile izučavane sa AFM uključuju kako ljudski trofoblasti (ćelije koje formiraju spoljni omotač blastocista koji obezbeđuje nutrijente embrionu, a kasnije se razvija u veliki deo placente) interaguju sa epitelnim ćelijama materice, što je osnov uspešne implantacije embriona (Thie et al., 1998).

Mali je korak od korišćenja AFM u istraživanjima do njegovog korišćenja za manipulisanje atomima, molekulima ili drugim nano-stukturama. Na primer, korišćenjem vrha kupe kao nano-pincete mogu biti proučeni precizni regioni ćelijske plazma membrane; individualne petlje proteina mogu biti otklonjene kako bismo otkrili unutrašnju strukturu proteina; pojedinačni molekuli mogu biti razvučeni u novu konformaciju kako bi se ispitala njihova elastičnost.

Sledeći veliki korak biće korišćenje AFM u nano-hirurgiji: za uvođenje ili ekstrakciju pojedinih molekula iz citoplazme pojedinačnih ćelija, za proučavanje ćelijskog homeostazisa ili za unutarćelijsko davanje lekova (Lamontagne et al., 2008; Müller et al., 2006).

Modifikovani AFM vrhovi mogu se takođe koristiti kao bušilice ili olovke: nano-mlevenje uklanja materijal u obliku dugačkih uvijenih odlomaka (Gozen & Ozdoganlar, 2010), dok kod nanolitografije takozvanim dubinskim olovkama dolazi do kontolisanog oslobađanja molekularnog ili tečnog „mastila“. U hemiji i prirodnim naukama, ovakva tehnologija se koristi za proizvodnju nano-senzora ili taloženje metalnih, poluprovodničkih i metal-oksidnih nanostruktura, funkcionalnih nano-kola ili nanouređaja (Basnar & Willner, 2009). Ovo, kombinovano sa korišćenjem AFM vrha da fizički gura nano čestice do određene pozicije, trebalo bi da otvori put za minijaturizaciji strujnih kola i drugih struktura.

Uprokos velikom broju primena – ovo su bili samo mali primeri – mogućnosti AFM nisu još uvek iscrpljene. Budući trendovi uključuju poboljšanje vrhova i kombinovanje sa drugim tehnikama, na primer za simultano određivanje strukture površine i fluorescentnih i električnih osobina (Müller et al., 2006). Brzina je još jedno pitanje: nedavno, stvoren je AFM sa kojim bi biološki procesi, kao što su replikacija i segregacija hromozoma, fagocitoza i sinteza proteina mogli da se prikažu u stvarnom vremenu, do 1000 puta brže nego što je do sada bilo moguće (Ando et al., 2008).

Da li ste sada nestrpljivi da dođete do sopstvene ideje za primenu AFM? Onda biste mogli da pokušate da ispratite istrukcije Philippe Jeanjacquotw2 za stvaranje vašeg sopstvenog aparata u školi. To je vremenski zahtevan projekat, ali on i njegovi studenti uspeli su da stvore mikroskop po izvodljivo niskoj ceni. Ipak, postoji jedna bitna caka: biće vam potrebna sredina bez vibracija da ga postavite, kao što je tihi podrum. Ako možete pronaći slično mesto, vaš entuzijazam i genijalnost jedine su granice.

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. Čitav tekst je dostupan na internetu besplatno.
  • 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. Čitav tekst je dostupan na internetu besplatno.
  • 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. Čitav tekst je dostupan na internetu besplatno.

Web References

  • w1 – Da biste naučili više o otkriću skening tunelnog mikroskopa za koji su Gerg Binnig i Heinrich Rohrer nagrađeni Nobelovom nagradom iz fizike 1986. pogledajte: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986
  • w2 – Instrukcije za pravljenje vašeg sopstvenog mikroskopa atomskih sila (AFM) u školi uskoro će biti dostupne ovde za preuzimanje. Ukoliko pošaljete e-mail na editor@scienceinschool.org, obavestićemo vas kada postanu dostupne.

Resources

Author(s)

Dr Patrick Theer je fizičar koji je proveo veći deo svoje karijere razvijajući mikroskopske tehnike. Nakon studija fizičke medicine u Berlinu, Nemačka, Torontu, Kanada i u Gildfordu, Ujedinjeno Kraljevstvo, ušao je u polje nelinearne optike za svoju doktorsku disertaciju na Hajdelberškom Univerzitetu, Nemačka, proučavajući granicu dubine snimanja u dvofotonskoj mikroskopiji – metodi optičkog seciranja koja može obezbediti informacije iz većih dubina, bez oštećivanja tkiva. Za svoj post-doktorski rad, prešao je na Vašingtonski Univerzitet u Sijetlu, SAD, proučavajući pigmente osetljive na promenu napona korišćenjem metoda nelinearne optike (metoda izazivanja sekundarno generisanih promena). Trenutno radi kao viši istraživački saradnik u Evropskoj laboratoriji za molekularnu biologiju u Hajdelbergu na primeni digitalnog laserskog skeniranja (light-sheet -based fluorescence microscopy) u proučavanju razvoja embriona.

Dr Marlene Rau je rođena u Nemačkoj i odrasla je u Španiji. Nakon sticanja doktorskog zvanja iz biologije razvića u Evropskoj laboratoriji za molekularnu biologiju, studirala je žurnalizam i preorijentisala se na naučnu komunikaciju. Od 2008. ona je jedan od urednika časopisa Science in School.


Review

Ovaj članak je prikladan za široki opseg lekcija iz prirodnih nauka – ne samo iz fizike već i pri proučavanju fiziologije životinja ili biomedicinskih nauka, na primer. Učenici mogu dalje proučavati mikroskopiju atomskih sila i njene primene, s obzirom na to da postoji obilje materijala na Internetu o prednostima i manama različitih mikroskopskih tehnika. Takođe mogu potražiti grupu naučnika koji su izumeli mikroskop atomskih sila (i osvojili Nobelovu nagradu za svoj izum) i otkriti više o njima i njihovom radu.

Potencijalna pitanja za razumevanje teksta uključuju:

  1. Koje je ograničenje skening tunelne mikroskopije?
  2. Koji mikroskop je razvijen da bi se prevazišli problemi kod skening tunelne mikroskopije?
  3. Objasnite kako se to AFM ponaša kao vinilska ploča (obratite pažnju na to da neki učenici možda nisu upoznati sa vinilskim pločama).
  4. Objasnite pojam obraštaj.
  5. Zašto je obraštaj problem?
  6. Navedite primere potencijalnih primena AFM-a.
  7. Šta biste vi voleli da proučavate kada biste imali AFM?

Ovaj članak može biti korišćen sa grupama starijih učenika ili sa učenicima nadarenim za kreativno razmišljanje, na primer za pisanje naučnog eseja na temu filma Honey I Shrunk the Kids (o naučniku koji radi na top-secret mašini koja minijaturizuje objekte i – slučajno – ljude), da bi ih naveo na razmišljanje o posmatranju pojedinačnih molekula. Za šta bi oni voleli da koriste AFM? Da li bi koristili svoje snimke kao umetničke ili za naučno istraživanje? Da li bi hteli da koriste svoje znanje da leče bolesti ili da bi otkrili lepote nauke na ovom planu?


Jennie Hargreaves, Ujedinjeno Kraljevstvo




License

CC-BY-NC-ND