Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat en miniatyrenhet som är tillräckligt känslig för att känna krafterna som genereras av simbakterier och höra hjärtmuskelcellernas slag.

Enheten är en optisk fiber i nanostorlek som är cirka 100 gånger tunnare än ett människohår. Den kan upptäcka krafter ner till 160 femtonewton – ungefär tio biljoner gånger mindre än en newton – när den placeras i en lösning som innehåller levande Helicobacter pylori-bakterier, som är simbakterier som finns i tarmen. I kulturer av bankande hjärtmuskelceller från möss, nanofibern kan upptäcka ljud ner till -30 decibel – en nivå som är tusen gånger under gränsen för det mänskliga örat.

"Det här arbetet kan öppna upp nya dörrar för att spåra små interaktioner och förändringar som inte kunde spåras tidigare, " sa nanoteknikprofessor Donald Sirbuly vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, som ledde studien.

Vissa applikationer, han föreställer sig, inkluderar detektering av närvaron och aktiviteten av en enda bakterie; övervakning av bindningar som bildas och bryts; känna av förändringar i en cells mekaniska beteende som kan signalera att den blir cancerös eller attackerad av ett virus; eller ett ministetoskop för att övervaka cellulär akustik in vivo.

Verket publiceras i Nature Photonics den 15 maj.

Den optiska fibern som utvecklats av Sirbuly och kollegor är minst 10 gånger känsligare än atomkraftmikroskopet (AFM), ett instrument som kan mäta oändligt små krafter som genereras av interagerande molekyler. Och medan AFM är skrymmande enheter, denna optiska fiber är bara flera hundra nanometer i diameter. "Det är en mini AFM med känsligheten hos en optisk pincett, " sa Sirbuly.

Enheten är gjord av en extremt tunn fiber av tenndioxid, belagd med ett tunt lager av en polymer, kallas polyetylenglykol, och översållad med guld nanopartiklar. För att använda enheten, forskare doppar den optiska nanofibern i en lösning av celler, skicka en ljusstråle ner i fibern och analysera ljussignalerna den sänder ut. Dessa signaler, baserat på deras intensitet, ange hur mycket kraft eller ljud fibern tar upp från de omgivande cellerna.

"Vi kan inte bara fånga upp dessa små krafter och ljud, vi kan kvantifiera dem med den här enheten. Detta är ett nytt verktyg för högupplöst nanomekanisk sondering, " sa Sirbuly.

Så här fungerar enheten:när ljus färdas ner i den optiska fibern, det interagerar starkt med guldnanopartiklarna, som sedan sprider ljuset som signaler som kan ses med ett konventionellt mikroskop. Dessa ljussignaler visas med en viss intensitet. Men den intensiteten ändras när fibern placeras i en lösning som innehåller levande celler. Krafter och ljudvågor från cellerna träffar guldnanopartiklarna, trycker in dem i polymerskiktet som skiljer dem från fiberns yta. Genom att trycka nanopartiklarna närmare fibern kan de interagera starkare med ljuset som kommer ner genom fibern, ökar således ljussignalernas intensitet. Forskare kalibrerade enheten så att de kunde matcha signalintensiteterna till olika nivåer av kraft eller ljud.

Nyckeln till att få detta att fungera är fiberns polymerskikt. Den fungerar som en resårmadrass som är tillräckligt känslig för att komprimeras till olika tjocklekar av de svaga krafterna och ljudvågorna som produceras av cellerna. Och Sirbuly säger att polymerskiktet kan ställas in - om forskare vill mäta större krafter, de kan använda en styvare polymerbeläggning; för ökad känslighet, de kan använda en mjukare polymer som en hydrogel.

Går vidare, forskare planerar att använda nanofibrerna för att mäta bioaktivitet och enstaka cellers mekaniska beteende. Framtida arbeten inkluderar också att förbättra fibrernas "lyssnande" förmåga för att skapa ultrakänsliga biologiska stetoskop, och justera deras akustiska respons för att utveckla nya bildtekniker.