(PhysOrg.com) -- Een onderzoeksteam van Stanford gebruikt gloeiende nanopilaren om biologen, neurologen en andere onderzoekers een diepere, nauwkeuriger kijken naar levende cellen.

Zoals woorden gaan, evanescent ziet niet genoeg gebruik. Het is een kunstzinnige term waarvan de schoonheid de ware betekenis verloochent:vluchtig of snel uitstervend. James Dean was vluchtig. De laatste stralen van een zonsondergang zijn vluchtig. Dat alles verdwijnt, echter, gaat niet verloren, zoals een team van Stanford-onderzoekers aantoonde in een recent artikel in Proceedings van de National Academy of Sciences. In feite, in de juiste handen, vergankelijkheid kan een blijvend effect hebben.

Het Stanford-team – geleid door chemicus Bianxiao Cui en ingenieur Yi Cui (geen familie), met wetenschappers Chong Xie en Lindsey Hanson – hebben een cellulair onderzoeksplatform gecreëerd dat nanopijlers gebruikt die zo gloeien dat biologen, neurologen en andere onderzoekers een diepere, nauwkeuriger kijken naar levende cellen.

"Dit nieuwe verlichtingssysteem is zeer nauwkeurig, " zei Bianxiao Cui, de senior auteur van de studie en assistent-professor scheikunde aan Stanford. "De nanopijlerstructuren zelf bieden veel voordelen die deze ontwikkeling bijzonder veelbelovend maken voor de studie van menselijke cellen."

Langdurige uitdagingen

Om het potentieel van deze doorbraak te begrijpen, het is nuttig om de uitdagingen voor eerdere vormen van moleculaire beeldvorming te begrijpen, die het licht direct op het onderwerp laten schijnen in plaats van tegenlicht te gebruiken, zoals in deze benadering.

Wetenschappers hopen op beter, kleinere moleculaire beeldvorming zijn jarenlang geboeid door een fysieke beperking van hoe klein een gebied waarop ze konden focussen - een gebied dat bekend staat als het observatievolume. Het minimale waarnemingsvolume is lange tijd beperkt gebleven tot de golflengte van zichtbaar licht, ongeveer 400 nanometer. individuele moleculen, zelfs lange eiwitten die veel voorkomen in biologie en geneeskunde, zijn veel kleiner dan 400 nanometer.

Dit is waar evanescentie om de hoek komt kijken. Het Stanford-team heeft met succes kwarts-nanopilaren gebruikt die net genoeg gloeien om licht te geven om naar te kijken, maar zwak genoeg om onder de barrière van 400 nanometer door te dringen. Het lichtveld rond de gloeiende nanopilaren - bekend als de "evanescentiegolf" - sterft uit binnen ongeveer 150 nanometer van de pilaar. Voilà – een lichtbron die kleiner is dan de golflengte van licht. De onderzoekers van Stanford schatten dat ze het waarnemingsvolume hebben teruggebracht tot een tiende van de omvang van eerdere methoden.

Bijzondere belofte

De Stanford nanopijler-beeldvormingstechniek is om verschillende redenen bijzonder veelbelovend in cellulaire studies. Eerst, het is niet-invasief - het is niet schadelijk voor de cel die wordt waargenomen, een ondergang van een aantal eerdere technologieën. Bijvoorbeeld, een levend neuron kan op het platform worden gekweekt en gedurende lange tijd worden geobserveerd.

Tweede, de nanopijlers houden de cellen in wezen op hun plaats. Dit is veelbelovend voor met name de studie van neuronen, die de neiging hebben om in de loop van de tijd te bewegen vanwege het herhaaldelijk vuren en ontspannen dat nodig is voor studie.

als laatste, en misschien wel het belangrijkste, het Stanford-team ontdekte dat door de chemie op het oppervlak van de nanopilaren te wijzigen, ze specifieke moleculen konden aantrekken die ze wilden observeren. In wezen kunnen ze moleculen met de hand uitkiezen om te bestuderen, zelfs in de overvolle en complexe omgeving van een menselijke cel.

"We weten dat eiwitten en hun antilichamen elkaar aantrekken, " zei Bianxiao Cui. "We bedekken de pilaren met antilichamen en de eiwitten waar we naar willen kijken worden rechtstreeks naar de lichtbron getrokken - zoals prima donna's naar de schijnwerpers."

De scène instellen

Om hun nanopilaren te maken, de Stanford-teamleden beginnen met een kwartsblad, die ze besproeien met fijne gouden stippen in een scattershot-patroon - Jackson Pollock-stijl. Vervolgens etsen ze het kwarts met een bijtend gas. De gouden stippen beschermen het kwarts direct eronder tegen het etsproces, lang achterlatend, dunne pilaren van kwarts.

De onderzoekers kunnen de hoogte van de nanopilaren regelen door de tijd dat het etsgas in contact is met het kwarts en de diameter van de nanopilaren aan te passen door de grootte van de gouden stippen te variëren. Zodra het etsproces is voltooid en de pilaren zijn gemaakt, ze voegen een laag platina toe aan de platte kwarts aan de basis van de pilaren.

De setting is iets uit een futuristische John Ford-film - Monument Valley weergegeven in kwartskristal. Het enige dat ontbreekt is een postkoets en John Wayne. In deze wereld, een brede woestijn van platina strekt zich uit tot aan de horizon, af en toe onderbroken door transparante pieken van kristallijn kwarts die enkele honderden nanometers opstijgen vanaf de vallei.

De Stanford-onderzoekers schijnen vervolgens een licht van onder hun creatie. Het ondoorzichtige platina blokkeert het meeste licht, maar een kleine hoeveelheid reist omhoog door de nanopilaren, die gloeien tegen het donkere veld van platina.

"De nanopilaren lijken een beetje op kleine lichtsabels, " zei Yi Cui, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan Stanford, "maar ze bieden precies de juiste hoeveelheid licht om wetenschappers in staat te stellen behoorlijk verbazingwekkende dingen te doen - zoals kijken naar individuele moleculen."

Het team heeft een uitzonderlijk platform gecreëerd voor het kweken en observeren van menselijke cellen. Het platina is biologisch inert en de cellen groeien over en hechten zich nauw aan de nanopilaren. De gloeiende torens ontmoeten vervolgens fluorescerende moleculen in de levende cel, waardoor de moleculen gloeien - waardoor de onderzoekers precies het licht krijgen dat ze nodig hebben om in de cellen te kijken.

"Dus, we hebben niet alleen een manier gevonden om volumes te verlichten die een tiende zo klein zijn als eerdere methoden - waardoor we naar steeds kleinere structuren kunnen kijken - maar we kunnen ook kiezen welke moleculen we willen observeren, " zei Yi Cui. "Dit zou precies het soort transformatieve technologie kunnen bewijzen dat onderzoekers in de biologie, neurologie, geneeskunde en andere gebieden moeten de volgende sprong voorwaarts maken in hun onderzoek."