Erfarna sportfiskare vet att hackigt vatten gör fisket svårt, så de försöker att inte vagga båten. Tack vare en ny mikroskopiteknik, cellbiologiforskare kan lyssna på samma råd.

University of Illinois forskare utvecklade en metod som de kallar "trolling AFM, " vilket gör att de kan studera mjuka biologiska prover i vätska med hög upplösning och hög kvalitet. Leds av mekanisk vetenskap och ingenjörsprofessor Min-Feng Yu, gruppen publicerade sina resultat i tidskriften Nanoteknik .

"Vi utvecklade en mycket känslig metod för högupplöst avbildning av mjuka biologiska prover, såsom levande celler, i sitt fysiologiska tillstånd, sade Majid Minary, en nyutexaminerad från Yus grupp och första författare till tidningen. Minary är nu professor vid University of Texas-Dallas. "Vi förbättrade kvalitetsfaktorn för vanliga atomkraftmikroskopi avbildningsmetoder med två storleksordningar, sa Minary.

Det mycket använda atomkraftmikroskopet ger bilder av små strukturer med hög upplösning i atomär skala. AFM har en vass sond i änden av en arm, kallas en cantilever. Spetsen på sonden skummar ytan på ett prov för att mäta mekaniska, elektriska eller kemiska egenskaper.

När forskare vill studera celler, vävnad eller annat levande biologiskt material, proverna måste nedsänkas i en vätska för att hålla dem vid liv. Detta medför svårigheter för atomkraftsmikroskopi, eftersom konsolen måste vara nedsänkt också.

Celler och vävnader är så mjuka att om AFM-sonden helt enkelt dras över ytan, det skulle skada eller förskjuta provet istället för att läsa det. Därför, Forskare måste använda AFM i oscillationsläge – med sonden försiktigt knacka längs provet och detektera motstånd.

Men oscillation i vätska medför en våg av komplikationer i dess spår.

Oscillerande en relativt stor struktur, till exempel en AFM konsol, genom vätska får vätskan också att svälla upp och ner med svängningen, som vågor i en tidvattenpool, orsakar ännu mer motstånd.

"Det finns en enorm mängd hydrodynamiskt motstånd förknippad med att använda en så stor konsol, jämfört med den upplösning du försöker närma dig, sa Yu, "så det orsakar mycket störningar, registreras som brus, som överväldigar alla faktiska data du försöker få från provet."

Den höga brusnivån kräver att sonden trycker hårdare för att hitta en signal. Detta innebär att spetsen deformerar en cell när sonden trycker ner, och bara stora, styva strukturella element som kärnan är synliga, gör AFM oförmögen att lösa upp membranets struktur, egenskaper och konturer med hög upplösning.

Yus grupp utarbetade en lösning på problemet genom att låta konsolen oscillera i luft ovanför vätskan medan provet fortfarande är nedsänkt. De fäste en tunn, lång nanonål – en struktur som gruppen utvecklat tidigare – till slutet av sonden, förlänger spetsen effektivt.

"Vi kallar det 'trollingläge' AFM, som vid fiske där en del av fiskelinan är nedsänkt i vatten och den andra delen ovanför, " sa Yu.

Medan AFM av mjukvävnad med en nedsänkt sond är som att försöka klubba fisk med en stor paddel i en vågbassäng, det nya arrangemanget är som att trolla med en lina i en lugn damm. Nanonålen tränger undan väldigt lite av vätskan och orsakar väldigt lite drag, ändå är väldigt lyhörd, så att konsolen kan svänga mycket försiktigt med mycket liten amplitud.

"När du tar bort ljudet, all information du får kommer från provet, istället för från interaktionen mellan spetsen och vätskan, " sa Yu.

Använder trolling AFM, gruppen fick högupplösta topografiska bilder av mänskliga celler.

"Vi kan knacka med så liten kraft att vi kan avslöja de regionala konturerna av membranet, sa Ning Wang, en professor i mekanisk vetenskap och ingenjörsvetenskap och en medförfattare till uppsatsen. "Inte bara det, mer viktigt, vi får den viskoelastiska kartan. Vi lägger lite kraft på det, och se hur viskoelastisk den är."

Tack vare den minimala störningen, trolling AFM kan också arbeta med hög frekvens, vilket skulle kunna göra det möjligt för forskare att studera dynamiken i cellulära strukturer som tidigare inte var detekterbara.

Nästa, forskarna vill utöka användbarheten av detta instrument med ytterligare dynamiska mätmöjligheter. Teamet kommer också att arbeta med biologer för att identifiera problem relaterade till cellmembran och förfina trolling AFM för att lösa strukturer i membranet.