Ervaren vissers weten dat woelige wateren zorgen voor moeilijk vissen, dus proberen ze de boot niet te laten schommelen. Dankzij een nieuwe microscopietechniek celbiologische onderzoekers kunnen hetzelfde advies opvolgen.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois ontwikkelden een methode die ze 'trollen AFM, " waarmee ze zachte biologische monsters in vloeistof met een hoge resolutie en hoge kwaliteit kunnen bestuderen. Onder leiding van professor werktuigbouwkunde en techniek Min-Feng Yu, de groep publiceerde haar bevindingen in het tijdschrift Nanotechnologie .

"We hebben een zeer gevoelige methode ontwikkeld voor beeldvorming met hoge resolutie van zachte biologische monsters, zoals levende cellen, in hun fysiologische toestand, " zei Majid Minary, een recent afgestudeerde van Yu's groep en eerste auteur van het papier. Minary is nu een professor aan de Universiteit van Texas-Dallas. "We hebben de kwaliteitsfactor van gangbare atomic force microscopie-beeldvormingsmethoden met twee ordes van grootte verbeterd, ' zei Minary.

De veelgebruikte atomic force microscoop levert beelden van kleine structuren met een hoge resolutie op atomaire schaal. De AFM heeft een scherpe sonde aan het uiteinde van een arm, een cantilever genoemd. De punt van de sonde scheert over het oppervlak van een monster om mechanische, elektrische of chemische eigenschappen.

Als wetenschappers cellen willen bestuderen, weefsel of ander levend biologisch materiaal, de monsters moeten worden ondergedompeld in een vloeistof om ze in leven te houden. Dit levert problemen op voor atomaire krachtmicroscopie, omdat de uitkraging ook moet worden ondergedompeld.

Cellen en weefsels zijn zo zacht dat als de AFM-sonde gewoon over het oppervlak zou worden gesleept, het zou het monster beschadigen of verplaatsen in plaats van het te lezen. Daarom, wetenschappers moeten de AFM in oscillatiemodus bedienen - waarbij de sonde zachtjes langs het monster tikt en weerstand detecteert.

Maar oscillatie in vloeistof brengt een golf van complicaties met zich mee.

Oscillerende een relatief grote structuur, zoals een AFM cantilever, door vloeistof zorgt er ook voor dat de vloeistof op en neer gaat met de oscillatie, als golven in een getijdenpoel, waardoor er nog meer weerstand ontstaat.

"Er is een enorme hoeveelheid hydrodynamische weerstand verbonden aan het bedienen van zo'n grote cantilever, vergeleken met de resolutie die u probeert te benaderen, " zei Yu, "dus het veroorzaakt veel overlast, opgenomen als ruis, die alle feitelijke gegevens die u uit de steekproef probeert te halen, overweldigt."

Door het hoge ruisniveau moet de sonde harder tikken om een ​​signaal te vinden. Dit betekent dat de punt een cel vervormt als de sonde naar beneden drukt, en alleen groot, stijve structurele elementen zoals de kern zijn zichtbaar, waardoor AFM de structuur van het membraan niet kan oplossen, eigenschappen en contouren met hoge resolutie.

De groep van Yu bedacht een oplossing voor het probleem door de cantilever in de lucht boven de vloeistof te laten oscilleren terwijl het monster nog ondergedompeld is. Ze bevestigden een dunne, lange nanonaald - een structuur die de groep eerder ontwikkelde - aan het einde van de sonde, de tip effectief verlengen.

"We noemen het 'trolling mode' AFM, zoals bij het vissen waarbij een deel van de vislijn in water is ondergedompeld en het andere deel erboven, ' zei Yu.

Terwijl AFM van zachte weefsels met een ondergedompelde sonde is als proberen vissen te knuppelen met een grote peddel in een golfslagbad, de nieuwe regeling is als het slepen met een vislijn in een kalme vijver. De nanonaald verplaatst zeer weinig van de vloeistof en veroorzaakt zeer weinig weerstand, maar is zeer responsief, zodat de cantilever heel zachtjes kan oscilleren met een zeer kleine amplitude.

"Als je het geluid eenmaal hebt verwijderd, alle informatie die je krijgt komt uit het voorbeeld, in plaats van door de interactie tussen de punt en de vloeistof, ' zei Yu.

Met behulp van trollen AFM, de groep kreeg topografische afbeeldingen met hoge resolutie van menselijke cellen.

"We kunnen met zo'n kleine kracht tikken dat we de regionale contouren van het membraan kunnen onthullen, " zei Ning Wang, een professor in mechanische wetenschappen en techniek en een co-auteur van het papier. "Niet alleen dat, belangrijker, we krijgen de visco-elastische kaart. We zetten er een beetje kracht op, en kijk hoe visco-elastisch het is."

Dankzij de minimale overlast, trollen AFM kan ook werken op hoge frequentie, waarmee onderzoekers de dynamiek van cellulaire structuren kunnen bestuderen die voorheen niet detecteerbaar waren.

Volgende, de onderzoekers willen de bruikbaarheid van dit instrument uitbreiden met extra dynamische meetmogelijkheden. Het team zal ook samenwerken met biologen om problemen met betrekking tot celmembraan te identificeren en trollende AFM te verfijnen om structuren in het membraan op te lossen.