In extreme slowmotion, een medicijnmolecuul dat een celreceptor binnengaat, lijkt een beetje op een Sojoez-ruimtecapsule die aanmeert in het internationale ruimtestation. Het zou hier remmen, boost daar; draaien, vertalen en dan met een lichte schok, op zijn plaats vergrendelen.

Live, grote moleculen interageren met een snelheid van nanoseconden, praktisch ogenblikkelijk, waardoor ze bijna niet te zien zijn. Maar wetenschappers zijn een stap dichter bij het kunnen observeren van hun bewegingen - stuk voor stuk - dankzij de nieuwe fijnafstemming van een instrument op atomaire schaal door ingenieurs van het Georgia Institute of Technology.

De vooruitgang zou onderzoekers op een dag kunnen helpen erachter te komen waarom sommige medicijnen goed werken en andere minder, en meet details over de werking van het leven bij de wortel.

Atoomkrachten duidelijk gezien

De verbetering werkt door elektronische witte ruis zorgvuldig toe te voegen aan een sensorsonde in een atomic force microscope (AFM), die al gevoelig genoeg is om krachten te detecteren die worden uitgeoefend door op elkaar inwerkende moleculen, zoals eiwitreceptoren en vitamines. Maar zelfs met die capaciteiten op nanometerschaal, op een lichte maar belangrijke manier, AFM kan een bot instrument zijn.

"Er is een onvermogen van de sonde om het diepste deel van de interactie te bemonsteren, " zei onderzoeker Todd Sulchek, een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech's School of Mechanical Engineering. "Je ziet hoe deze moleculen aan elkaar zijn gebonden of ongebonden. Het was zwart of wit, maar nu slagen we erin om verschillende grijstinten te krijgen."

Sulchek en afgestudeerde onderzoekers Ahmad Haider en Daniel Potter publiceerden de resultaten van hun technische oplossing in het tijdschrift the Proceedings van de National Academy of Sciences Vroege editie in de week van 21 november, 2016. Hun onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation.

Kegel wiebelen een cantilever

Moleculen hebben trekstralen, zij het zwakke. Ze trekken aan elkaar met een reeks zwakke krachten, zoals van der Waals interacties, meestal gegenereerd hoewel negatieve of positieve polariteiten zich rond de moleculen verspreiden.

Atoomkrachtmicroscopen meten de aantrekkende energieën door een kegelvormige sonde op nanoschaal dicht bij de moleculen te steken om de krachten te voelen terwijl ze op elkaar inwerken. De kegel is bevestigd aan een cantilever, een flexibele kleine stok, en laat het wiebelen, terwijl de atoomkrachten de kegel op deze manier of dat trekken.

De cantilever brengt het trillen over in de microscoop, wat het in een bruikbaar signaal verandert, net zoals de naald van een draaitafel trillingen van een plaat overbrengt om in geluid te worden omgezet. Het resulterende signaal illustreert wat een energiebron wordt genoemd. De bovenkant van de put is het punt waar de adhesieve krachten gaan werken, en de onderkant is een punt over waar de moleculen elkaar ontmoeten.

Goed in de energie vallen

Maar als de krachten aan de kegel en de moleculen trekken, observeert het dichter bij elkaar, op een gegeven moment, ze rukken eigenlijk samen, het voorkomen van een gedetailleerde meting van de energiegradiënt. Als resultaat, als de kegel de op elkaar inwerkende moleculen nadert, onderzoekers zien de top van de energiebron en het einde van de interactie, maar de details van de muren van de put, vooral diep daar waar de moleculen het nauwst op elkaar inwerken, hen steevast ontwijken.

"De manier waarop we er omheen kwamen was, we hebben gewoon wat elektronische ruis op een goed gedefinieerde manier toegevoegd, en waardoor de sonde de interactie kon voelen toen hij nog relatief ver weg was van het oppervlak van de moleculen, " zei Sulchek. De elektronische vibratie, zogenaamde verbeterde stochastische fluctuatie, verminderde ook het effect van de adhesiekrachten die anders de cantilever en de moleculen samen zouden hebben gegrepen.

"Wat ik netjes vind, is dat het contra-intuïtief is, omdat u gewoonlijk ruis uit uw systeem probeert te elimineren om nauwkeurigere metingen te krijgen, maar we voegen ruis toe, " zei Sulchek. De verbetering omzeilt mogelijke vooroordelen die worden veroorzaakt door de toevoeging van ruis door onderzoekers in staat te stellen meer en langere monsters te nemen, het effectief annuleren van de effecten van de ruis in de algemene gegevens.

Het toevoegen van wat ruis klinkt misschien eenvoudig, maar het kostte Haider en Potter ruim twee jaar om erachter te komen hoe het kon werken en om vervelende aanpassingen aan de instrumentatie aan te brengen.

Bacteriële bankschroef grip ballet

De onderzoekers gebruikten interacties tussen de cantilever en een materiaal genaamd mica om de ontwikkeling van de verbetering te voltooien. Mica heeft een voorspelbare vorm en lading, goed voor benchmarking - het is erg soepel. "Mica is atomair vlak, "Zei Sulchek. "Dat en grafiet zijn ongeveer de twee vlakste oppervlakken die je kunt bouwen."

Nutsvoorzieningen, Het team van Sulchek test de verbeterde cantilever in een biologisch scenario - een eiwit van Streptomyces avidinii-bacteriën, die met wraak de vitamine biotine opeet. het eiwit, streptavidine, bindt zich zo stevig aan biotine, dat onderzoekers het vaak gebruiken om moleculaire adhesie te bestuderen.

"Het is de sterkste bio-interactie die de wetenschap kent, "Zei Sulchek. Streptavidin's bankschroefgreep zorgt voor een goed gestandaardiseerde testcase voor het nieuw verfijnde apparaat. "Er gaat een klep open en de biotine past erin als een handschoen, "Zei Sulchek. "We willen zien of we kunnen kijken hoe dat gebeurt en zijn energie goed meten."

Kanker, AIDS, auto immuunziekte

Dat brengt Sulchek dichter bij zijn droom van een instrument om experimenteel biomoleculair onderzoek te stimuleren, en mogelijk leiden tot inzichten die nuttig zijn voor de geneeskunde. "Ik wil een tool hebben om deze tussenstappen te visualiseren, " zei hij. "Ik wil een hulpmiddel om die kortstondige staten te zien."

Onderzoekers zouden zo'n verbeterd hulpmiddel kunnen gebruiken om auto-immuunziekten beter te begrijpen, immunotherapie om kanker te behandelen of het vermogen van HIV om een ​​antilichaamafweer te dwarsbomen.

"Veel antilichamen hebben twee bindingsplaatsen, en daar is een reden voor, maar we begrijpen nog niet waarom, "Zei Sulchek. "We weten dat je niet wilt dat antilichamen te sterk op elkaar inwerken." het kan leiden tot auto-immuunziekten.

"Er zijn veel therapieën waarbij antilichamen betrokken zijn, en sommige werken goed; anderen werken niet goed, " zei Sulchek. Antilichamen hechten mogelijk niet optimaal aan HIV, bijvoorbeeld, omdat ze het moeilijk hebben om rond het virus te wikkelen.

Het vastleggen van de onhandige actie in extreme slow motion kan op een dag biomedische onderzoekers helpen een effectiever antilichaam te ontwerpen om het virus verder te verijdelen.