«Наша лаборатория очень интересовалась механико-химическими переключателями во внеклеточном матриксе, но в настоящее время нам трудно исследовать эти механизмы и обнаружить, как они работают in vivo», — сказал Томас Баркер, доцент Wallace H. Коултер, факультет биомедицинской инженерии Технологического института Джорджии и Университета Эмори. "Это устройство может помочь биологам и биомедицинским инженерам ответить на вопросы, на которые сейчас невозможно ответить.«Например, клетка, связывающая внеклеточный матрикс, может связываться с одним рецептором, пока матрица растягивается, и с другим рецептором, когда она не находится в состоянии стресса. Эти различия в связывании могут приводить к изменениям клеточного фенотипа и влиять на такие процессы, как дифференцировка клеток. Но их сейчас сложно изучать.
«Наличие такого устройства позволит нам исследовать, какие именно сайты связывания и каковы специфические триггеры связывания», — пояснил Баркер. "Сейчас мы очень мало знаем об этой области, когда речь идет о биохимии белков."Ученые смогли изучить, как отдельные клетки или белки подвергаются воздействию механических сил, но их активность может значительно варьироваться от клетки к клетке и между молекулами. Новые пинцеты, созданные с использованием нанолитографии, могут облегчить изучение тысяч или более клеток и белков в совокупности. В настоящее время исследователи тестируют прототип 15 на 15 массивов, которые, по их мнению, могут быть увеличены.
«Для меня недостаточно тянуть и удерживать один белок», — сказал Баркер. "Мне нужно удерживать десятки тысяч белков, чтобы по-настоящему использовать технологии, которые у нас есть для разработки молекулярных зондов."
В центре пинцета 2.Микрошарики из полистирола размером 8 микрон, содержащие суперпарамагнитные наночастицы. Крошечные шарики созданы для прилипания к исследуемому образцу. Этот образец прикреплен к бусинке с одной стороны и к магнитной подушке с другой. Магнит притягивает шарик к себе, в то время как электрофоретическая сила, создаваемая током, протекающим через золотой узор проводки, отталкивает шарик. «Устройство одновременно толкает и притягивает одну и ту же частицу», — объяснил Баркер. "Это позволяет нам удерживать образец в очень определенном месте над магнитом.«Поскольку силы можно варьировать, пинцет можно использовать для изучения структур самых разных масштабов, от молекул белка до клеток — разница в размерах примерно в тысячу раз», — отметил Уилбур Лам, доцент кафедры Коултера.
Абсолютные силы в диапазоне нано-ньютонов, прикладываемые двумя источниками, преодолевают гораздо меньшие эффекты броуновского движения и тепловой энергии, позволяя пинцету удерживать клетки или молекулы без постоянной регулировки.
«Мы в основном используем технологию микрочипов, разработанную инженерами-электриками и механиками», — отметил Лам. "Мы можем использовать эти крошечные функции, которые позволяют нам создавать очень резкое электрическое поле на одном конце против противоположного короткого магнитного поля. Поскольку есть два способа управления этим, у нас есть жесткое разрешение и мы можем получить много разных масштабов."
В качестве доказательства принципа работы системы исследователи продемонстрировали ее способность различать связывание антигена с загруженными магнитными шариками, покрытыми различными антителами.
При приложении достаточной направленной вверх силы шарики, покрытые неспецифическим антителом, смещаются с покрытой антигеном поверхности устройства, в то время как шарики, покрытые специфическим антителом, сильнее притягиваются к поверхности и удерживаются на ней.
Баркер и Лам начали вместе работать над пинцетом три года назад, когда поняли, что у них одинаковые интересы в изучении эффектов механического воздействия на разные биологические системы. «Мы не должны удивляться тому, что биология может быть продиктована физическими параметрами», — объяснил Лам. "Все должно подчиняться законам физики, и в основе этого лежит механика."Лэм интересуется клеточным масштабом, в частности, клетками крови.
«Клетки крови также по-разному реагируют, биологически, когда вы их сжимаете и когда растягиваете», — сказал он. «Например, мы узнали, что механика имеет прямое отношение к атеросклерозу, но системы, которые у нас есть в настоящее время для изучения этого механизма, могут смотреть только на одноклеточные события. Если вы можете посмотреть сразу на несколько ячеек, вы получите гораздо лучшее статистическое представление о том, что происходит."
«Мы в первую очередь заинтересованы в разработке антител, которые способны различать различные формы белков, вызванные действием лекарств», — пояснил он. «У нас есть конкретный белок, который нас интересует, но этот метод может быть применен к любым белкам, которые, как предполагается, имеют эти активируемые силой изменения в их биохимической активности."Пока пинцет решает специфические экспериментальные задачи Лам и Баркер, исследователи надеются найти другие приложения. Пинцет был разработан в сотрудничестве с аспирантом Личжи Цао и докторантом Чжэнчун Пэном. «Из-за масштабов, которые мы можем исследовать — как молекулярных, так и клеточных — я думаю, что это будет иметь множество применений как в молекулярной инженерии белков, так и в биотехнологиях», — сказал Лам. "Это может быть полезным способом для людей проверить соответствующие молекулы, потому что в настоящее время нет хороших способов сделать это.«Помимо биологических систем, устройство может быть использовано в разработке материалов, микроэлектронике и даже в зондировании. «Эта способность обнаруживать дискретные события связывания и развязывания между молекулярными видами вызывает большой интерес прямо сейчас», — добавил Баркер. "Применение биосенсоров является естественным."