Motorproteiner genererar krafterna för viktiga mekaniska processer i vår kropp. På en skala av nanometer - en miljondels millimeter - motorproteiner, till exempel, driver våra muskler eller transporterar material i våra celler. Sådana rörelser, osynlig för blotta ögat, kan göras synlig av Erik Schäffer:professorn i cellulär nanovetenskap vid universitetet i Tübingen utvecklar specialkraftsmikroskop, så kallad optisk pincett, att mäta hur dessa molekylära maskiner fungerar mekaniskt. Hans team på Center for Plant Molecular Biology har nu förbättrat tekniken. Särskilda sonder, germanium nanosfärer, möjliggör en högre upplösning av förskjutningar och krafter som motorerna genererar. Resultaten har publicerats i tidskriften Vetenskap .

Med en storlek på bara 60 nanometer, motorproteinerna som studeras är verkligen små, men avgörande för cellulära processer. Bland annat, de hjälper till att mekaniskt dra isär kromosomerna under celldelning, eller så transporterar de små "paket, " så kallade vesiklar, inom celler. Dysfunktionella motorer, till exempel i nervceller, kan leda till neurologiska sjukdomar som Alzheimers.

För att reda ut hur motorproteiner fungerar, biofysikern Erik Schäffer utvecklade ultraprecis optisk pincett. De är baserade på principer som redan upptäcktes av astronomen Johannes Kepler 1609. För deras uppfinning, fysikern Arthur Ashkin fick Nobelpriset 2018. Den optiska pincetten utnyttjar strålningstrycket från laserljus för att kontaktlöst hålla små partiklar på plats. Med hjälp av detta verktyg, Schäffer har för några år sedan kunnat visa att motorproteinet kinesin roterar när man går:med två "fötter, "det tar åtta nanometer stora steg att göra ett halvt varv varje gång - nästan som om man framför en wienervals.

Schäffers Ph.D. studenten Swathi Sudhakar har nu förfinat den optiska pincetttekniken ytterligare. Använda germanium nanosfärer, mycket mindre och högre upplösningssonder, man kan fortfarande motverka det ofattbart lilla, fem piconewton krafter hos de biologiska motorerna. Det betyder att forskarna nu kan mäta även de minsta och snabbaste rörelser som hittills gömts i stormen av den ryckiga termiska rörelsen som är inneboende hos små partiklar.

Med den nya tekniken, forskarna kunde spåra kinesin i realtid, och Sudhakar upptäckte ytterligare ett mellansteg i dess rörelse, gör valsen nästan perfekt. "Om detta mellansteg existerar har diskuterats bland forskare i 20 år, ", säger Schäffer. "Vi kunde mäta detta direkt för första gången med en optisk pincett." nanosfärerna avslöjade en tidigare okänd glidmekanism hos motorn. "Det är ett slags säkerhetskoppel som håller motorn på rätt spår om belastningen är för hög, " säger Schäffer. Denna mekanism förklarar den höga effektiviteten av vesikeltransport i celler, han lägger till. "Om vi ​​vet hur kinesinmotorer fungerar i detalj, vi kan också bättre förstå de vitala cellprocesserna som motorerna driver, såväl som funktionsfel som kan leda till sjukdom."

Schäffer jämför den nya tekniken med att "ta en ordentlig titt under huven" på molekylära maskiner. Han säger att nu, forskare kan inte bara exakt observera individuella rörelser av molekylära maskiner; de kan också bättre förstå, till exempel, hur proteiner viker sig till sin rätta struktur. "Som halvledare, nanosfärerna har ytterligare spännande optiska och elektriska egenskaper. Därför, de kan vara användbara inom andra områden av nanovetenskap och materialvetenskap, till exempel, för bättre litiumjonbatterier, säger Schäffer.