Een nieuw type biomoleculair pincet kan onderzoekers helpen bestuderen hoe mechanische krachten de biochemische activiteit van cellen en eiwitten beïnvloeden. De apparaten – te klein om te zien zonder een microscoop – gebruiken tegengestelde magnetische en elektroforetische krachten om de cellen en moleculen precies uit te rekken, ze op hun plaats houden zodat de activiteit van receptoren en andere biochemische activiteit kan worden bestudeerd.

Arrays van het pincet kunnen worden gecombineerd om meerdere moleculen en cellen tegelijkertijd te bestuderen, het verschaffen van een hoge doorvoercapaciteit voor het beoordelen van de effecten van mechanische krachten op een brede schaal. Details van de apparaten, die zijn ontwikkeld door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en Emory University in Atlanta, werden gepubliceerd op 19 februari 2014, in het journaal Technologie .

"Ons laboratorium is erg geïnteresseerd in mechanisch-chemische schakelaars in de extracellulaire matrix, maar we hebben momenteel een moeilijke tijd om deze mechanismen te ondervragen en te ontdekken hoe ze in vivo werken, " zei Thomas Barker, een universitair hoofddocent bij de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University. "Dit apparaat kan biologen en biomedische ingenieurs helpen bij het beantwoorden van vragen die nu niet kunnen worden beantwoord."

Bijvoorbeeld, een cel die de extracellulaire matrix bindt, kan aan één receptor binden terwijl de matrix wordt uitgerekt, en een andere receptor als het niet onder stress staat. Die bindingsverschillen kunnen veranderingen in het celfenotype veroorzaken en processen zoals celdifferentiatie beïnvloeden. Maar ze zijn nu moeilijk te bestuderen.

"Met zo'n apparaat kunnen we onderzoeken wat de specifieke bindingsplaatsen zijn en wat de specifieke bindingstriggers zijn, " legde Barker uit. "Op dit moment, we weten heel weinig over dit gebied als het gaat om eiwitbiochemie."

Wetenschappers hebben kunnen bestuderen hoe afzonderlijke cellen of eiwitten worden beïnvloed door mechanische krachten, maar hun activiteit kan aanzienlijk variëren van cel tot cel en tussen moleculen. Het nieuwe pincet, die zijn gebouwd met behulp van nanolithografie, kan het bestuderen van duizenden of meer cellen en eiwitten in totaal vergemakkelijken. De onderzoekers testen momenteel prototypes van 15 bij 15 arrays waarvan ze denken dat ze kunnen worden opgeschaald.

"Voor mij, het is niet voldoende om aan een enkel eiwit te trekken en vast te houden, " zei Barker. "Ik moet tienduizenden eiwitten vasthouden en vasthouden om echt de technologieën te gebruiken die we hebben om moleculaire sondes te ontwikkelen."

In het midden van het pincet bevinden zich microbolletjes van polystyreen van 2,8 micron die superparamagnetische nanodeeltjes bevatten. De kleine kralen zijn ontworpen om te hechten aan een monster dat wordt bestudeerd. Dat monster zit aan één kant vast aan een kraal, en aan de andere kant naar een magnetische pad. De magneet trekt de kraal naar zich toe, terwijl een elektroforetische kracht gecreëerd door stroom die door een gouden bedradingspatroon vloeit, de kraal wegduwt.

"Het apparaat duwt en trekt tegelijkertijd aan hetzelfde deeltje, " legde Barker uit. "Hierdoor kunnen we het monster op een zeer specifieke positie boven de magneet houden."

Omdat de krachten kunnen worden gevarieerd, het pincet kan worden gebruikt om structuren van zeer verschillende schalen te bestuderen, van eiwitmoleculen tot cellen – een verschil in grootte van ongeveer duizend keer, merkte Wilbur Lam op, een assistent-professor bij de afdeling Coulter. Absolute krachten in het nano-Newton-bereik toegepast door de twee bronnen overwinnen de veel kleinere effecten van Brownse beweging en thermische energie, waardoor het pincet de cellen of moleculen kan vasthouden zonder constante aanpassing.

"We maken in feite gebruik van microchiptechnologie die is ontwikkeld door elektrische en mechanische ingenieurs, Lam merkte op. "We zijn in staat om gebruik te maken van deze zeer kleine functies die ons in staat stellen een zeer scherp elektrisch veld aan het ene uiteinde te creëren tegen een tegengesteld kort magnetisch veld. Omdat er twee manieren zijn om het te controleren, we hebben een strakke resolutie en kunnen veel verschillende schalen bereiken."

Als een proof of principle voor het systeem, de onderzoekers toonden aan dat het in staat is om onderscheid te maken tussen antigeenbinding aan geladen magnetische korrels die zijn gecoat met verschillende antilichamen. Als er voldoende opwaartse kracht wordt uitgeoefend, niet-specifieke met antilichaam gecoate korrels worden verplaatst van het met antigeen gecoate apparaatoppervlak, terwijl korrels die zijn gecoat met het specifieke antilichaam sterker worden aangetrokken door het oppervlak en erop worden vastgehouden.

Barker en Lam begonnen drie jaar geleden samen te werken aan het pincet toen ze zich realiseerden dat ze dezelfde interesses hadden in het bestuderen van de effecten van mechanische actie op verschillende biologische systemen.

"Het zou ons niet moeten verbazen dat biologie kan worden gedicteerd door fysieke parameters, Lam legde uit. "Alles moet de wetten van de fysica gehoorzamen, en mechanica raakt de kern daarvan."

Lam's interesse ligt op cellulaire schaal, specifiek in bloedcellen.

"Bloedcellen reageren ook anders, biologisch, wanneer je ze uitknijpt en wanneer je ze uitrekt, "zei hij. "Bijvoorbeeld, we hebben geleerd dat mechanica veel te maken heeft met atherosclerose, maar de systemen die we momenteel hebben om dit mechanisme te bestuderen, kunnen alleen naar eencellige gebeurtenissen kijken. Als je naar veel cellen tegelijk kunt kijken, je krijgt een veel beter statistisch beeld van wat er gebeurt."

Barkers belangen, echter, bevinden zich op moleculair niveau.

"We zijn voornamelijk geïnteresseerd in evoluerende antilichamen die in staat zijn om verschillende door kracht gemedieerde conformaties van eiwitten te onderscheiden, " legde hij uit. "We hebben een specifiek eiwit waarin we geïnteresseerd zijn, maar deze techniek zou kunnen worden toegepast op alle eiwitten waarvan wordt vermoed dat ze deze door kracht geactiveerde veranderingen in hun biochemische activiteit hebben."

Terwijl het pincet voldoet aan de specifieke experimentele behoeften van Lam en Barker, de onderzoekers hopen andere toepassingen te vinden. Het pincet is ontwikkeld in samenwerking met afgestudeerde student Lizhi Cao en postdoctoraal onderzoeker Zhengchun Peng.

"Vanwege de schaal die we kunnen onderzoeken - zowel moleculair als cellulair - denk ik dat dit veel toepassingen zal hebben, zowel in de moleculaire engineering van eiwitten als in de biotechnologie, " zei Lam. "Dit zou een nuttige manier kunnen zijn voor mensen om relevante moleculen te screenen, omdat er momenteel geen goede manieren zijn om dat te doen."

Voorbij biologische systemen, het apparaat zou kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van materialen, micro-elektronica en zelfs detectie.

"Dit vermogen om discrete bindings- en unbindingsgebeurtenissen tussen moleculaire soorten te detecteren, is op dit moment van groot belang, " Barker toegevoegd. "Biosensor toepassingen komen hier natuurlijk uit."