En ny typ av biomolekylär pincett kan hjälpa forskare att studera hur mekaniska krafter påverkar den biokemiska aktiviteten hos celler och proteiner. Enheterna - för små för att se utan mikroskop - använder motsatta magnetiska och elektroforetiska krafter för att exakt sträcka ut cellerna och molekylerna, hålla dem på plats så att aktiviteten hos receptorer och annan biokemisk aktivitet kan studeras.

Arrangemang av pincetten kan kombineras för att studera flera molekyler och celler samtidigt, tillhandahåller en kapacitet för hög genomströmning för att bedöma effekterna av mekaniska krafter i stor skala. Detaljer om enheterna, som utvecklades av forskare vid Georgia Institute of Technology och Emory University i Atlanta, publicerades den 19 februari, 2014, i tidningen Teknologi .

"Vårt laboratorium har varit mycket intresserat av mekaniskt-kemiska switchar i den extracellulära matrisen, men vi har för närvarande svårt att utforska dessa mekanismer och upptäcka hur de fungerar in vivo, "sa Thomas Barker, docent vid Wallace H. Coulter Institutionen för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University. "Den här enheten kan hjälpa biologer och biomedicinska ingenjörer att svara på frågor som inte kan besvaras just nu."

Till exempel, en cell som binder den extracellulära matrisen kan binda med en receptor medan matrisen sträcks, och en annan receptor när den inte är stressad. De bindande skillnaderna kan driva förändringar i cellfenotyp och påverka processer som celldifferentiering. Men de är nu svåra att studera.

"Att ha en sådan här enhet gör att vi kan förhöra vad de specifika bindningsställena är och vad de specifika bindningsutlösarna är, "Förklarade Barker." Just nu, vi vet väldigt lite om detta område när det gäller proteinbiokemi. "

Forskare har kunnat studera hur enskilda celler eller proteiner påverkas av mekaniska krafter, men deras aktivitet kan variera avsevärt från cell till cell och bland molekyler. Den nya pincetten, som är byggda med nanolitografi, kan underlätta att studera tusentals eller fler celler och proteiner totalt. Forskarna testar för närvarande prototyp 15 med 15 matriser som de tror kan skala upp.

"För mig, det räcker inte att dra och hålla i ett enda protein, "sa Barker." Jag måste dra och hålla i tiotusentals proteiner för att verkligen använda den teknik vi har för att utveckla molekylära sonder. "

I mitten av pincetten finns 2,8-mikron polystyrenmikropärlor som innehåller superparamagnetiska nanopartiklar. De små pärlorna är konstruerade för att hålla sig till ett prov som studeras. Det provet är fäst på en pärla på ena sidan, och till en magnetkudde på den andra. Magneten drar pärlan mot den, medan en elektroforetisk kraft skapad av ström som flyter genom ett guldledningsmönster driver pärlan bort.

"Enheten skjuter samtidigt och drar i samma partikel, "Barker förklarade." Detta gör att vi kan hålla provet på en mycket specifik position ovanför magneten. "

Eftersom krafterna kan varieras, pincetten kan användas för att studera strukturer av mycket olika storlekar, från proteinmolekyler till celler - en storleksskillnad på ungefär tusen gånger, noterade Wilbur Lam, en biträdande professor vid Coulter -avdelningen. Absoluta krafter i nano-Newton-intervallet som tillämpas av de två källorna övervinner de mycket mindre effekterna av brunisk rörelse och termisk energi, så att pincetten kan hålla cellerna eller molekylerna utan konstant justering.

"Vi utnyttjar i princip mikrochipteknologi som har utvecklats av elektriska och mekaniska ingenjörer, "Lam noterade." Vi kan utnyttja dessa mycket små funktioner som gör att vi kan skapa ett mycket skarpt elektriskt fält i ena änden mot ett motstående kort magnetfält. Eftersom det finns två sätt att kontrollera det, Vi har en tät upplösning och kan nå många olika skalor. "

Som ett principbevis för systemet, forskarna visade sin förmåga att skilja mellan antigenbindning till laddade magnetiska pärlor belagda med olika antikroppar. När en tillräcklig kraft uppåt appliceras, ospecifika antikroppsbelagda pärlor förskjuts från den antigenbelagda enhetens yta, medan pärlor belagda med den specifika antikroppen lockas starkare till ytan och kvarhålls på den.

Barker och Lam började arbeta tillsammans på pincetten för tre år sedan när de insåg att de hade liknande intressen av att studera effekterna av mekanisk verkan på olika biologiska system.

"Vi bör inte bli förvånade över att biologin kan dikteras av fysiska parametrar, "Lam förklarade." Allt måste lyda fysikens lagar, och mekanikerna kommer till kärnan i det. "

Lams intresse ligger i mobilskalan, specifikt i blodkroppar.

"Blodceller reagerar också annorlunda, biologiskt, när du klämmer på dem och när du sträcker dem, "sa han." Till exempel, vi har lärt oss att mekanik har mycket att göra med åderförkalkning, men de system vi för närvarande har för att studera denna mekanism kan bara titta på encellshändelser. Om du kan titta på många celler samtidigt, du får en mycket bättre statistisk bild av vad som händer. "

Barkers intressen, dock, är på molekylär nivå.

"Vi är främst intresserade av att utveckla antikroppar som kan särskilja olika kraftmedierade konformationer av proteiner, "förklarade han." Vi har ett specifikt protein som vi är intresserade av, men denna teknik kan tillämpas på alla proteiner som misstänks ha dessa kraftaktiverade förändringar i deras biokemiska aktivitet. "

Medan pincetten uppfyller de specifika experimentella behoven hos Lam och Barker, forskarna hoppas kunna hitta andra tillämpningar. Pincetten utvecklades i samarbete med doktorand Lizhi Cao och postdoktor Zhengchun Peng.

"På grund av skalan kan vi undersöka - både molekylärt och cellulärt - jag tror att detta kommer att ha många tillämpningar både inom proteinmolekylteknik och bioteknik, "Lam sa." Detta kan vara ett användbart sätt för människor att screena relevanta molekyler eftersom det för närvarande inte finns bra sätt att göra det. "

Utöver biologiska system, enheten kan användas för materialutveckling, mikroelektronik och till och med avkänning.

"Denna förmåga att upptäcka diskreta bindande och obindande händelser mellan molekylära arter är av stort intresse just nu, "Tillade Barker." Biosensorapplikationer kommer naturligtvis ur detta. "