En forskargrupp bestående av professor Takayuki Shibata och hans kollegor vid institutionen för maskinteknik, Toyohashi University of Technology, har gett större funktionaliteter till atomkraftsmikroskopi (AFM). Vårt forskarteam har lyckats med minimalt invasiv kirurgi på levande celler med hjälp av fotokatalytisk oxidation kontrollerad i nanoskala och visualisera dynamisk information om intracellulära biomolekyler. Denna föreslagna teknik för att kontrollera och visualisera processen för cellfunktionsuttryck på en hög nivå har betydande potential som ett starkt nanotillverkning och nanomätningssystem för att lösa livets mysterium.

En integrerad förståelse av livsfenomen och kontrollen av dessa är absolut nödvändig för vidareutveckling av de medicinska och farmaceutiska områdena. Uppsatsen för att skapa livsinnovation är att lösa strukturen och funktionen hos biomolekyler som genom, proteiner, och sockerkedjor och även lösa funktionen hos celler, som är den grundläggande enheten för livsaktivitet. Därför, vi strävar efter att etablera en teknologi för minimalt invasiv kirurgi för att rikta in sig på levande celler på molekylär nivå (Guds hand för att manipulera cellers funktion) och visualisera förändringar i det dynamiska beteendet hos intracellulära biomolekyler och tillståndet hos cellmembranprotein på en enda molekylär nivå (Guds öga för att se funktionen hos celler), och därmed tillhandahålla en innovativ nanotillverknings- och nanomätningsplattform för att lösa livets mysterium.

Här, vårt forskarlag har lyckats ge två nya funktioner till atomkraftsmikroskopi (AFM). Det första framsteg är att belägga spetsen på en AFM-sond med en tunn film av titanoxid (TiO) ₂ ) känd som en fotokatalysator. Med denna metod, den fotokatalytiska reaktionen är lokaliserad i ett utrymme i nanoskala (100 nm-område) i närheten av spetsens spets för att uppnå minimalt invasiv cellmembranperforering. Som ett resultat, sannolikheten för cellmembranperforering når 100%, och en cellviabilitet på 100 % uppnås också framgångsrikt, så att vi kan verifiera att minimalt invasiv kirurgi kan utföras. Det andra framsteg är att infoga spetsen på en AFM-sond belagd med silver (Ag) nanopartiklar i en levande cell. Vi har därmed lyckats skaffa ett känsligt Raman-spektrum med ursprung i protein, DNA, lipider, etc. (Tip-Enhanced Raman Spectroscopy, TERS). Med denna metod, en skillnad i förhållandet mellan biomolekyler mellan en cells kärna och cytoplasma visualiserades som information inuti en cell, och man fann att det finns en omvänd korrelation (ett fenomen som när man ökar, den andra minskar) mellan proteiner och glykogen (även kallad animalisk stärkelse) som tidsmässiga förändringar i biomolekyler inuti celler.

För att samtidigt uppnå nanotillverkning och nanomätningsfunktioner, vi kommer att etablera en spetsförstärkt Raman-spektroskopisk (TERS) funktion genom att belägga ytan på en TiO ² -funktionaliserad AFM-sond med Ag-nanopartiklar i framtiden. Denna funktion kommer att kunna visualisera processen för nedbrytningsreaktioner av organiska ämnen baserat på fotokatalytisk oxidation (förändringar i molekylära strukturer) under cellkirurgisprocessen. Vi kommer också att sträva efter att uppnå ett sätt att mäta en enskild molekyl i ett målcellsmembranprotein med hjälp av den höga molekylära igenkänningsförmågan hos en antigen-antikroppsreaktion, och vi kommer att sträva efter att etablera en teknik för selektiv nanotillverkning för en enda molekyl i målmembranproteinet identifierat med ovanstående medel. Det förväntas att denna föreslagna teknik skulle kunna lösa livsfunktionernas mekanismer och tillämpas på arbete som utveckling av nya läkemedel.