Hoe visualiseer je de extreem kleine krachten die verbonden zijn aan processen als embryonale groei en ontwikkeling? Onderzoekers in Wageningen hebben geëxperimenteerd met een combinatie van lasertechnologie en chemie, het bedenken van een sensor bestaande uit één molecuul die een paar honderd keer nauwkeuriger is dan bestaande apparaten die worden gebruikt om nanokrachten op moleculair niveau te meten. De onderzoekers beschrijven hun bevindingen in het 18 januari nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Chemo .

De krachten die moleculen in cellen ervaren, maar ook in alle materialen om ons heen, zijn zo klein dat zelfs de meest nauwkeurige bestaande meetapparatuur nauwelijks kan detecteren of het überhaupt een kracht is. "Tot nu, alles was zwart of wit, of er was een kracht of die was er niet - bestaande methoden konden niets daartussenin bepalen, " zegt Joris Sprakel, onderzoeksgroepleider bij Sprakel Lab en de Physical Chemistry and Soft Matter Group van Wageningen University &Research. “Met een team van drie jonge onderzoekers en een gevorderde student hebben we verschillende expertises bij elkaar gebracht. En we kwamen op het idee dat het theoretisch mogelijk moest zijn om de krachten op moleculair niveau te detecteren door het molecuul zelf te gebruiken als een nano meetinstrument We meten niet langer zwart of wit, maar 'vijftig tinten grijs' om zo te zeggen."

In technische termen uitgedrukt, het voelen van de kracht van één molecuul heeft een resolutie van 100 femtonewton. Als een kracht, dit wordt geschreven als 0.000000000001 newton (1 newton voelt aan als ongeveer 100 gram). "Maar een molecuul is ook ongelooflijk klein, ongeveer een nanometer, of een miljoenste millimeter, ', zegt Joris Sprakel. 'Deze kracht van honderd femtonewton die op een molecuul van één nanometer drukt, is te vergelijken met de kracht van een zandkorrel op iemands schouder. En we kunnen zulke kleine krachten meten met de relaties die een miljard keer kleiner zijn."

Met de nieuwe meetmethode kregen de onderzoekers meer inzicht in de krachten die op moleculair niveau actief zijn in de levende cellen van planten, dieren en mensen. "Bijvoorbeeld, bij de embryonale ontwikkeling van plantencellen, we weten dat minuscule krachten bepalen wanneer een cel zich deelt en in welke richting. Dus uiteindelijk, deze mechanische prikkels bepalen hoe het plantenembryo zich ontwikkelt, maar tot nu toe was het niet mogelijk om dit te meten, ", zegt Sprakel. "Voorheen, we hadden geen directe toegang tot fysieke verschijnselen op deze schaal, en als je het niet kunt zien, het is bijna niet te begrijpen hoe het werkt. Als je de rol van nanokrachten in biologische processen begrijpt, op de lange termijn, het kan mogelijk zijn om bepaalde ziekten te voorkomen door fouten in deze celkrachten. Maar dit is nog iets voor de toekomst; we hebben nu laten zien hoe we dit soort 'onmeetbare' krachten kunnen meten. In mijn team, we werken momenteel aan het toepassen van deze aanpak op cellulaire processen."

Molecuul als meetinstrument

Volgens Joris Sprakel het nemen van dit soort gevoelige, kleinschalige metingen zijn niet mogelijk met een groot meetapparaat in een cel. De onderzoekers creëerden daarom moleculen die als meetinstrumenten fungeren. Elk van de moleculaire sensoren die door het team zijn gemaakt, werkt als een nanokrachtmeter. Om het molecuul te meten en de kracht te bepalen, de onderzoekers schijnen een laser op één molecuul. Dit molecuul geeft het licht terug in een andere tint, waardoor het onderzoeksteam de hoeveelheid kracht kan bepalen. Cruciaal, daarom, de methode bestaat niet alleen uit een nieuw molecuul of een nieuw instrument, maar van een combinatie van beide.

"Hiervoor hadden we een sterk interdisciplinair team nodig, ", zegt Sprakel. "Deze doorbraak kwam tot stand door de unieke combinatie van vier jonge onderzoekers in mijn team, elk met hun eigen vakgebied. Het betekende dat we deze lang gekoesterde droom eindelijk konden realiseren."