Hur visualiserar man de extremt små krafterna kopplade till processer som embryonal tillväxt och utveckling? Forskare vid Wageningen har experimenterat med en kombination av laserteknik och kemi, komma med en sensor som består av en enda molekyl som är några hundra gånger mer exakt än befintliga enheter som används för att mäta nanokrafter på molekylnivå. Forskarna beskriver sina resultat i numret av den vetenskapliga tidskriften den 18 januari Chem .

De krafter som upplevs av molekyler i celler, men också i alla material runt omkring oss, är så små att även de mest exakta befintliga mätanordningarna knappt kan upptäcka om det är en kraft alls. "Tills nu, allt var svart eller vitt, antingen fanns det en kraft eller så fanns det inte – existerande metoder kunde inte avgöra något däremellan, säger Joris Sprakel, forskargruppsledare vid Sprakel Lab och Physical Chemistry and Soft Matter Group vid Wageningen University &Research. "Med ett team på tre unga forskare och en avancerad student har vi samlat olika expertområden. Och vi kom på idén att det måste vara teoretiskt möjligt att upptäcka krafterna på molekylär nivå genom att använda själva molekylen som en nanomätinstrument. Vi mäter inte längre svart eller vitt, men "fifty shades of grey" så att säga."

Uttryckt i tekniska termer, avkänning av kraften hos en molekyl har en upplösning på 100 femtonewton. Som en kraft, detta skrivs som 0,0000000000001 newton (1 newton känns som runt 100 gram). "Men en molekyl är också otroligt liten, ungefär en nanometer, eller en miljondels millimeter, ", säger Joris Sprakel. "Denna kraft av hundra femtonewtons som trycker på en molekyl på en nanometer kan jämföras med kraften av ett sandkorn på en persons axel. Och vi kan mäta så små krafter med relationerna som är en miljard gånger mindre."

Med den nya mätmetoden, forskarna fick mer insikt i de krafter som är aktiva på molekylär nivå i växternas levande celler, djur och människor. "Till exempel, vid embryonal utveckling av växtceller, vi vet att små krafter avgör när en cell delar sig och i vilken riktning. Så till slut, dessa mekaniska stimuli bestämmer hur växtembryot utvecklas, men hittills har det inte varit möjligt att mäta detta, " säger Sprakel. "Tidigare, vi hade ingen direkt tillgång till fysiska fenomen i denna skala, och om du inte kan se det, det är nästan omöjligt att förstå hur det fungerar. Om du förstår nanokrafternas roll i biologiska processer, i längden, det kan vara möjligt att förhindra vissa sjukdomar på grund av fel i dessa cellkrafter. Men det här är ändå något för framtiden; vi har nu visat hur vi kan mäta den här typen av "omätbara" krafter. I mitt team, vi arbetar för närvarande med att tillämpa detta tillvägagångssätt på cellulära processer."

Molekyl som mätanordning

Enligt Joris Sprakel, tar den här typen av känsliga, småskaliga mätningar är inte möjliga med en stor mätanordning i en cell. Forskarna skapade därför molekyler som fungerar som mätinstrument. Var och en av de molekylära sensorerna som gjorts av teamet fungerar som en nanokraftsmätare. För att mäta molekylen och bestämma kraften, forskarna lyser med laser på en molekyl. Denna molekyl returnerar ljuset i en annan nyans, så att forskargruppen kan bestämma mängden kraft. Avgörande, därför, Metoden består inte bara av en ny molekyl eller ett nytt instrument, men av en kombination av de två.

"Vi behövde ett starkt tvärvetenskapligt team för detta, " says Sprakel. "This breakthrough was achieved by the unique combination of four young researchers in my team, each with their own area of expertise. It meant we were finally able to realise this long-cherished dream."