Биомолекулярные щипцы для изучения влияния механических сил на клетки

Новый тип биомолекулярных щипцов поможет исследователям изучать, как механические силы влияют на биохимическую активность клеток и белков. Устройства, слишком маленькие для наблюдения без микроскопа, используют противоположные магнитные и электрофоретические силы для точного растяжения клеток и молекул, удерживая их в положении, позволяющем изучать активность рецепторов и другую биохимическую активность. Массивы таких щипцов можно комбинировать для одновременного изучения множества молекул и клеток, обеспечивая высокопроизводительный анализ эффектов механических сил в широком масштабе. Подробности об устройствах, разработанных исследователями из Технологического института Джорджии и Университета Эмори в Атланте, были опубликованы 19 февраля 2014 года в журнале Technology.

Устройство решает сложную задачу изучения механико-химических переключателей во внеклеточном матриксе in vivo. Например, растяжение матрикса может влиять на то, какой рецептор клетки связывается с ним, что, в свою очередь, может влиять на фенотип клетки и процессы, такие как дифференцировка.

Как работают щипцы?

В центре устройства находятся полистирольные микросферы диаметром 2,8 микрона, содержащие суперпарамагнитные наночастицы. Эти сферы прикрепляются к изучаемому образцу. С одной стороны образец соединён со сферой, с другой — с магнитной подложкой. Магнит притягивает сферу, в то время как электрофоретическая сила, создаваемая током, протекающим через золотую проводящую схему, отталкивает её. Это позволяет удерживать образец в очень специфическом положении над магнитом.

Силы можно варьировать, что позволяет изучать структуры в широком диапазоне размеров — от белковых молекул до клеток (разница примерно в тысячу раз). Абсолютные силы в диапазоне наноНьютон, прикладываемые двумя источниками, преодолевают гораздо меньшие эффекты броуновского движения и тепловой энергии, позволяя удерживать клетки или молекулы без постоянной корректировки.

Преимущества и применение

В отличие от методов изучения одиночных клеток или белков, активность которых может сильно варьироваться, новые щипцы, созданные с помощью нанолитографии, позволяют изучать тысячи и более клеток и белков в совокупности. Исследователи тестируют прототипы массивов 15 на 15, которые, по их мнению, можно масштабировать.

В качестве доказательства принципа работы системы исследователи продемонстрировали её способность различать связывание антигена с магнитными сферами, покрытыми разными антителами.

Потенциальные области применения выходят за рамки биологических систем и включают разработку материалов, микроэлектронику и сенсорику. Способность детектировать дискретные события связывания и разрыва связей между молекулярными видами представляет высокий интерес, в том числе для биосенсоров.