Nanouszy służące do słuchania komórek, bakterii i wirusów

Milion razy bardziej czuły niż ucho ludzkie, ten niewidzialny mikrofon o nagim uchu, stworzony z cząsteczki złota niesionej przez wiązkę laserową, ma pozwolić na usłyszenie hałasów emitowanych przez komórki, bakterie i wirusy. Słuchanie ich ma dać dostęp do świata dźwięków jeszcze nieznanego, a także oferować nowy środek do badań nad nimi. W medycynie, można na przykład słuchać czerwonych krwinek...

Posługiwanie się technologią laserową jest źródłem wielu innowacji w dziedzinach badań nad bytem żywym i w nanotechnologiach. Jedna z tych technik zrewolucjonizowała biologię molekularną. Chodzi tutaj o optyczne szczypce, na które pomysł narodził się już w 1986 roku.

Świetlna wiązka monochromatyczne produkowana przez laser o niskiej mocy może utrzymać cząstkę dielektryczną na miejscu, albo przemieścić ją bez żadnego kontaktu. Szczypce optyczne są powszechnie stosowane do wstrzykiwania, a później do manipulowania DNA wewnątrz żywych komórek. Mogą one również być zastosowane do mierzenia sił działających na mikroskopijne cząsteczki (wyrażone w pikonewtonach).

Kiedy tylko cząsteczki te zostaną przechwycone w świetlnej wiązce, instrumenty mogą mierzyć ich ewentualne ruchy, a więc siły, którym podlegają. Dźwięk z kolei potrzebuje materii, aby mógł się rozprzestrzeniać. Prowokuje on przemieszczenie się tam i z powrotem cząsteczek, które napotyka w miejscach, które przemierza.

Aby wykryć falę dźwiękową, trzeba więc zmierzyć te ruchy do przodu i do tyłu, na przykład na cząsteczce złota o 60 nanometrach średnicy, przetrzymywanej w szczypcach optycznych. Koncept ten sprawił, że narodziły się tak zwane „nanouszy”.

Opracował je Jochen Feldmann, z pomocą swojej ekipy naukowej, specjalizującej się w fotonice i optofotonice. Naukowcy ci pracują na uniwersytecie w Monachium, w Niemczech, a ich prace zostały opublikowane w Physical Review Letters.

Nanofony ultrawrażliwe i kierunkowe

Ten system mikrofonów, albo raczej nanofonów, jest milion razy bardziej wrażliwy niż ucho ludzkie. Nagrał on dźwięki aż do 60 dB. Jest on również kierunkowy. Kierując kilka wiązek laserowych na jedną cząstkę, można zaobserwować ruchy wibracyjne w trzech wymiarach. Kierunek rozprzestrzeniania dźwięku może być poznany.

Posługując się trójwymiarową siecią cząsteczek złota, podtrzymywanych przez różne wiązki, możliwe będzie określenie z precyzją źródła dźwięku. Technologie te mają pozwalać na usłyszenie i zidentyfikowanie wibracji akustycznych emitowanych przez komórki, bakterie albo jeszcze wirusy, w czasie ich przemieszczania albo oddychania.

Co to dla nas oznacza?

Najprawdopodobniej powstanie nowej dyscypliny mikroskopii akustycznej. Metody aktualnie opierają się na zasadzie ultradźwięków medycznych, które pozwalają zobaczyć wnętrze materii w skali mikrometrycznej. Posłużenie się szczypcami optycznymi ma pozwalać na badanie nie niszczące wnętrza, nawet komórek, w skali, którą można określić jako nanometryczną, czyli tam, gdzie żadna inna technika obserwacji nie może być użyta.

Na przykład, będzie można porównać dźwięki emitowane przez zdrowe komórki oraz komórki chore. Zastosowanie w medycynie, jak najbardziej obiecujące, jeszcze na tę chwilę nie ujrzało światła dziennego. Jak na razie bowiem zespół badaczy z uniwersytetu w Monachium przeprowadził testy jedynie na cząsteczkach złota zawieszonych w wodzi.

Ruchy jednej cząsteczki podtrzymywanej przez szczypce optyczne zostały więc w ten sposób zarejestrowane i przeanalizowane, podczas gdy inne sfery złota zostały wprawione w wibracje. Badacze sprawili, że frekwencje wibracji się zmieniały, aby się upewnić, że na pewno rejestrują pożądany dźwięk, a nie jedynie ruchy wody.

Badacze niemieccy pozostają optymistami, jeżeli chodzi o szybką ewolucję procesu w kierunku zastosowania medycznego. Eksperymentalne konfiguracje powinny jednak jeszcze być dopracowane do końca, jeżeli chcemy skutecznie określać liczne dźwięki, które dana komórka może produkować.

Niektórzy pasjonują się więc śpiewem wielorybów, inni od tej pory będą mogli rozerwać się – albo uspokoić – słuchając śpiewu mikroorganizmów. Przypomnijmy raz jeszcze: komórek, bakterii, wirusów...