Krafter som utövas av en levande cell eller en mikroorganism är små, ofta inte större än några nanonewton. För jämförelse, en nanonewton är vikten av en del på en miljard av en typisk chokladkaka. Än, för biologiska celler och mikrober, dessa krafter är tillräckliga för att celler ska kunna fastna på en yta eller mikrober för att driva sig själva mot näringsämnen. Forskare från Finland och Tyskland presenterar nu en mycket anpassningsbar teknik som använder mikropipettkraftsensorer för att exakt mäta krafterna som utövas av ett brett spektrum av mikronstora organismer. Denna nya metod har nu publicerats i Naturprotokoll .

För att hålla sig vid liv och föröka sig, en biologisk cell måste anpassa sig till sina miljöförhållanden. Förmågan att göra det involverar fysiska principer och mekaniska krafter. Celler kan fästa sig på ytor och andra celler för att så småningom bilda en biofilm, en struktur som skyddar cellgemenskapen från yttre angrepp. Många mikroorganismer kan aktivt röra sig genom att krypa på en yta eller simma i vätska, till exempel, mot en näringskälla. För att främja förståelsen av mikroberrörlighet, det är viktigt att mäta de mekaniska krafterna som är förknippade med deras rörelse.

Utvecklingen av mikropipettkraftsensorer för att mäta krafter från levande celler och mikroorganismer beskrivs i ett gemensamt arbete av Dr Matilda Backholm och Dr Oliver Bäumchen. "Arbetsprincipen för mikropipettkraftsensortekniken är vackert enkel:Genom att optiskt observera avböjningen av en kalibrerad mikropipett, krafterna som verkar på pipetten kan mätas direkt, säger Matilda Backholm, forskare vid institutionen för tillämpad fysik vid Aalto-universitetet i Finland.

En mikropipett är en ihålig glasnål med en tjocklek på ungefär samma diameter som ett människohår eller ännu mindre. En av de mest anmärkningsvärda fördelarna med denna teknik är att den kan tillämpas på en mängd olika biologiska system, allt från en enskild cell till en millimeterstor mikroorganism. "Vi exemplifierade mångsidigheten i vår metod med två modellsystem från mikrobiologi, men visst, tekniken kan och kommer att tillämpas på andra biologiska system i framtiden, säger Oliver Bäumchen, forskargruppsledare vid Max Planck Institute of Dynamics and Self-Organisation i Göttingen, Tyskland.

"Tanken bakom tekniken är att kombinera fördelarna med flera etablerade biofysiska tekniker. Vi använder en mikropipett för att ta tag i en levande cell på exakt samma sätt som det görs vid provrörsbefruktning, och studera de mekaniska krafterna genom att mäta pipettens avböjning med hjälp av de mätprinciper som ligger till grund för atomkraftsmikroskopi - en standardmätteknik inom fysik, säger Bäumchen.

Dr Backholm påpekar en annan stor fördel:"I motsats till andra kraftmätningsmetoder, vi upptäcker avböjningen av vår mycket känsliga mikropipett helt enkelt genom att observera den med ett toppmodernt mikroskop. Detta gör att vi kan inspektera mikroorganismens form och rörelse med hög optisk upplösning, medan vi mäter krafterna samtidigt."

Under allt detta, cellen eller mikroorganismen är helt intakt och levande, som gör det möjligt att testa dess reaktion på såväl läkemedel som näringsämnen, temperatur och andra miljöfaktorer. "Kraftupplösningen är verkligen anmärkningsvärd. Med våra senaste tekniska framsteg, vi lyckades upptäcka krafter ner till cirka tio piconewton, som är nästan lika bra som ett atomkraftmikroskop, säger Dr Bäumchen.

Forskarna förväntar sig att deras metod kommer att tillämpas i andra forskningslabb i framtiden för att ta itu med viktiga biofysiska frågor, syftar till att bättre förstå biologiska funktioner hos celler och mikroorganismer, såväl som deras underliggande fysiska principer. Dr. Backholm påpekar att dessa forskningsvägar verkligen kan främja biomedicinska och biotekniska tillämpningar:"Mikropipettkraftsensortekniken kan hjälpa till att identifiera läkemedel för att bekämpa infektionssjukdomar och hämma bildandet av biofilmer på medicinska implantat, bara för att nämna några exempel där detta nya tillvägagångssätt kan ha en betydande inverkan."