Motoreiwitten genereren de krachten voor essentiële mechanische processen in ons lichaam. Op een schaal van nanometers - een miljoenste van een millimeter - motoreiwitten, bijvoorbeeld, onze spieren aandrijven of materiaal in onze cellen transporteren. Zulke bewegingen, onzichtbaar voor het blote oog, zichtbaar gemaakt kan worden door Erik Schäffer:de hoogleraar Cellular Nanoscience aan de Universiteit van Tübingen ontwikkelt special force microscopen, zogenaamde optische pincetten, om te meten hoe deze moleculaire machines mechanisch werken. Zijn team van het Centre for Plant Molecular Biology heeft de technologie nu verbeterd. Speciale sondes, germanium nanosferen, zorgen voor een hogere resolutie van verplaatsingen en krachten die de motoren genereren. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Met een grootte van slechts 60 nanometer, de bestudeerde motoreiwitten zijn echt klein, maar essentieel voor cellulaire processen. Onder andere, ze helpen om chromosomen mechanisch uit elkaar te trekken tijdens celdeling, of ze vervoeren kleine "pakketten, "zogenaamde blaasjes, binnen cellen. Disfunctionele motoren, bijvoorbeeld in zenuwcellen, kan leiden tot neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer.

Om te ontrafelen hoe motoreiwitten werken, biofysicus Erik Schäffer ontwikkelde een ultranauwkeurig optisch pincet. Ze zijn gebaseerd op principes die de astronoom Johannes Kepler al in 1609 ontdekte. de natuurkundige Arthur Ashkin ontving in 2018 de Nobelprijs. Het optische pincet maakt gebruik van de stralingsdruk van laserlicht om kleine deeltjes contactloos op hun plaats te houden. Met behulp van dit hulpmiddel, Schäffer heeft een paar jaar geleden kunnen aantonen dat het motoreiwit kinesine roteert tijdens het lopen:met twee "voeten, " het kost acht nanometer grote stappen om elke keer een halve draai te maken - bijna alsof je een Weense wals uitvoert.

Schäffer's Ph.D. student Swathi Sudhakar heeft de technologie van het optische pincet nu verder verfijnd. Met behulp van germanium nanosferen, veel kleinere en hogere resolutie sondes, men kan nog steeds het onvoorstelbaar kleine tegengaan, vijf-piconewton krachten van de biologische motoren. Dit betekent dat de onderzoekers nu zelfs de kleinste en snelste bewegingen kunnen meten die tot nu toe verborgen waren in de storm van de schokkerige thermische beweging die inherent is aan kleine deeltjes.

Met de nieuwe technologie, de onderzoekers konden kinesine in realtime volgen, en Sudhakar ontdekte nog een tussenstap in zijn voortbeweging, waardoor de wals bijna perfect is. "Of deze tussenstap bestaat, wordt al 20 jaar onder wetenschappers gedebatteerd, " zegt Schäffer. "We konden dit voor het eerst direct meten met een optische pincet." de nanosferen onthulden een voorheen onbekend slipmechanisme van de motor. "Het is een soort veiligheidslijn die de motor op het goede spoor houdt als de belasting te hoog is, ", zegt Schäffer. Dit mechanisme verklaart de hoge efficiëntie van het transport van blaasjes in cellen, hij voegt toe. "Als we in detail weten hoe kinesinemotoren werken, we kunnen ook de vitale celprocessen die de motoren aandrijven beter begrijpen, evenals storingen die tot ziekte kunnen leiden."

Schäffer vergelijkt de nieuwe technologie met "eens goed onder de motorkap kijken" van moleculaire machines. Dat zegt hij nu, onderzoekers kunnen niet alleen individuele bewegingen van moleculaire machines nauwkeurig observeren; ze kunnen ook beter begrijpen, bijvoorbeeld, hoe eiwitten in hun juiste structuur vouwen. "Als halfgeleiders, de nanosferen hebben extra opwindende optische en elektrische eigenschappen. Daarom, ze kunnen nuttig zijn op andere gebieden van nanowetenschap en materiaalwetenschap, bijvoorbeeld, voor betere lithium-ionbatterijen, ', zegt Schäffer.