Krachten uitgeoefend door een levende cel of een micro-organisme zijn klein, vaak niet groter dan enkele nanonewtons. Ter vergelijking, één nanonewton is het gewicht van één deel op een miljard van een typische chocoladereep. Nog, voor biologische cellen en microben, deze krachten zijn voldoende om cellen aan een oppervlak te laten kleven of microben om zichzelf naar voedingsstoffen te stuwen. Wetenschappers uit Finland en Duitsland presenteren nu een zeer aanpasbare techniek met behulp van micropipetkrachtsensoren om nauwkeurig de krachten te meten die worden uitgeoefend door een breed scala aan micron-achtige organismen. Deze nieuwe methode is nu gepubliceerd in Natuurprotocollen .

Om in leven te blijven en zich te verspreiden, een biologische cel moet zich aanpassen aan zijn omgevingsomstandigheden. Het vermogen om dit te doen omvat fysieke principes en mechanische krachten. Cellen kunnen zich hechten aan oppervlakken en andere cellen om uiteindelijk een biofilm te vormen, een structuur die de gemeenschap van cellen beschermt tegen aanvallen van buitenaf. Veel micro-organismen kunnen zich actief verplaatsen door op een oppervlak te kruipen of in vloeistof te zwemmen, bijvoorbeeld, naar een bron van voedingsstoffen. Om het begrip van de beweeglijkheid van microben te vergroten, het is belangrijk om de mechanische krachten te meten die samenhangen met hun beweging.

De ontwikkeling van krachtsensoren met micropipetten om de krachten van levende cellen en micro-organismen te meten, wordt beschreven in een gezamenlijk werk van Dr. Matilda Backholm en Dr. Oliver Bäumchen. "Het werkingsprincipe van de micropipet-krachtsensortechniek is prachtig eenvoudig:door optisch de doorbuiging van een gekalibreerde micropipet te observeren, de krachten die op de pipet inwerken, kunnen direct worden gemeten, " zegt Matilda Backholm, onderzoeker bij de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Aalto Universiteit in Finland.

Een micropipet is een holle glazen naald met een dikte van ongeveer de diameter van een mensenhaar of zelfs kleiner. Een van de meest opmerkelijke voordelen van deze techniek is dat deze kan worden toegepast op een grote verscheidenheid aan biologische systemen, variërend van een enkele cel tot een micro-organisme ter grootte van een millimeter. "We illustreerden de veelzijdigheid van onze methode met behulp van twee modelsystemen uit de microbiologie, maar zeker, de techniek kan en zal in de toekomst worden toegepast op andere biologische systemen, " zegt Oliver Bäumchen, onderzoeksgroepleider bij het Max Planck Institute of Dynamics and Self-Organization in Göttingen, Duitsland.

"Het idee achter de techniek is om de voordelen van verschillende gevestigde biofysische technieken te combineren. We gebruiken een micropipet om een ​​levende cel te grijpen op exact dezelfde manier als bij in-vitrofertilisatie, en bestudeer de mechanische krachten door de doorbuiging van de pipet te meten met behulp van de meetprincipes die ten grondslag liggen aan atoomkrachtmicroscopie - een standaard meettechniek in de natuurkunde, ", zegt Baumchen.

Dr. Backholm wijst op een ander groot voordeel:"In tegenstelling tot andere krachtmeetmethoden, we detecteren de doorbuiging van onze zeer gevoelige micropipet door deze eenvoudig te observeren met een ultramoderne microscoop. Hierdoor kunnen we de vorm en beweging van het micro-organisme inspecteren met een hoge optische resolutie, terwijl we tegelijkertijd de krachten meten."

Tijdens dit alles, de cel of het micro-organisme volledig intact en levend is, waarmee de reactie op medicijnen en voedingsstoffen kan worden getest, temperatuur en andere omgevingsfactoren. "De krachtresolutie is echt opmerkelijk. Met onze recente technologische vooruitgang, we zijn erin geslaagd om krachten tot ongeveer tien piconewtons te detecteren, die bijna net zo goed is als een atoomkrachtmicroscoop, " zegt Dr. Bäumchen.

De onderzoekers verwachten dat hun methode in de toekomst ook in andere onderzoekslaboratoria zal worden toegepast om belangrijke biofysische vragen aan te pakken, gericht op een beter begrip van de biologische functies van cellen en micro-organismen, evenals hun onderliggende fysieke principes. Dr. Backholm wijst erop dat deze onderzoeksroutes inderdaad biomedische en biotechnologische toepassingen kunnen bevorderen:"De micropipet-krachtsensortechniek zou kunnen helpen bij het identificeren van medicijnen voor het bestrijden van infectieziekten en het remmen van de vorming van biofilms op medische implantaten, om maar een paar voorbeelden te noemen waar deze nieuwe aanpak een aanzienlijke impact zou kunnen hebben."