Under 2018, Hälften av Nobelpriset tilldelades Arthur Ashkin, fysikern som utvecklade en optisk pincett, användningen av en hårt fokuserad laserstråle för att isolera och flytta objekt i mikronskala (storleken på röda blodkroppar). Nu Justus Ndukaife, biträdande professor i elektroteknik vid Vanderbilt University, har utvecklat den första opto-termo-elektrohydrodynamiska pincetten någonsin, optiska nanotweezer som kan fånga och manipulera föremål i ännu mindre skala.

Artikeln, "Stand-off fångst och manipulering av sub-10 nm objekt och biomolekyler med opto-termo-elektrohydrodynamisk pincett" publicerades online i tidskriften Naturens nanoteknik den 31 augusti.

Artikeln skrevs av Ndukaife och doktorander Chuchuan Hong och Sen Yang, som bedriver forskning i Ndukaifes labb.

Optisk pincett i mikronskala representerar ett betydande framsteg inom biologisk forskning men är begränsade i storleken på de föremål de kan arbeta med. Detta beror på att laserstrålen som fungerar som tång på en optisk pincett bara kan fokusera laserljuset till en viss diameter (ungefär halva laserns våglängd). När det gäller rött ljus med en våglängd på 700 nanometer, pincetten kan fokusera på och manipulera endast föremål med en diameter på cirka 350 nanometer eller mer med låg effekt. Självklart, storleken är relativ, så medan en storlek på 350 nanometer är extremt liten, det utelämnar ännu mindre molekyler som virus, som kommer in på 100 nanometer, eller DNA och proteiner som mäter mindre än 10 nanometer.

Tekniken som Ndukaife etablerade med OTET lämnar flera mikrometer mellan laserstrålen och molekylen den fångar, en annan viktig del av hur dessa nya, liten pincett fungerar. "Vi har utvecklat en strategi som gör det möjligt för oss att pinceta extremt små föremål utan att utsätta dem för högintensivt ljus eller värme som kan skada en molekyls funktion, "Ndukaife sa. "Förmågan att fånga och manipulera sådana små föremål ger oss förmågan att förstå hur vårt DNA och andra biologiska molekyler beter sig i detalj, på en singulär nivå."

Före OTET, molekyler såsom extracellulära vesiklar kunde endast isoleras med hjälp av höghastighetscentrifuger. Dock, teknikens höga kostnad har hämmat bred användning. OTET, å andra sidan, har potential att bli brett tillgänglig för forskare med mindre budgetar. Pincetten kan också sortera föremål baserat på deras storlek, ett tillvägagångssätt som är viktigt när man letar efter specifika exosomer, extracellulära vesiklar som utsöndras av celler som kan få cancer att metastasera. Exosomer varierar i storlek från 30 till 150 nanometer, och att sortera och undersöka specifika exosomer har vanligtvis visat sig vara utmanande.

Andra tillämpningar av OTET som Ndukaife föreställer sig inkluderar att upptäcka patogener genom att fånga virus för studier och forskning om proteiner som bidrar till tillstånd associerade med neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers. Båda applikationerna kan bidra till tidig upptäckt av sjukdom eftersom pincetten effektivt kan fånga låga nivåer av molekyler, vilket innebär att en sjukdom inte behöver vara fullt utvecklad innan sjukdomsframkallande molekyler kan undersökas. OTET kan också kombineras med andra forskningstekniker som biofluorescens och spektroskopi.

"Himlen är gränsen när det gäller tillämpningarna av OTET, sa Ndukaife, som samarbetade med Center for Technology Transfer and Commercialization för att lämna in ett patent på denna teknik. "Jag ser fram emot att se hur andra forskare utnyttjar dess förmåga i sitt arbete."