فیزیکدانان دانشگاه Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) در مونیخ نانوابزار جدیدی را توسعه داده اند که ابزاری آسان برای توصیف خواص مکانیکی مولکول های زیستی فراهم می کند.
در مواجهه با هزاران پروتئین و ژن که تقریباً در هر سلول بدن یافت می شود، زیست شناسان می خواهند بدانند که همه آنها دقیقاً چگونه کار می کنند: چگونه آنها برای انجام عملکردهای خاص خود تعامل دارند و چگونه واکنش نشان می دهند و چگونه با آنها سازگار می شوند. آشفتگی ها؟ یکی از عوامل مهم در همه این فرآیندها، این سوال است که مولکول های زیستی چگونه به نیروهای کوچکی که در سطح مولکولی عمل می کنند، واکنش نشان می دهند. فیزیکدانان LMU به رهبری پروفسور تیم لیدل، با همکاری محققان دانشگاه فنی در براونشوایگ و دانشگاه رگنسبورگ، روشی را ارائه کرده اند که به آنها اجازه می دهد نیروی ثابتی بر روی یک ماکرومولکول منفرد با ابعاد چند نانومتر وارد کنند و پاسخ مولکول را مشاهده کنیدمحققان از این طریق می توانند آزمایش کنند که آیا یک پروتئین یا یک ژن قادر به عملکرد طبیعی است یا نه، زمانی که ساختار آن توسط نیروهایی به بزرگی مورد انتظار در داخل سلول تغییر شکل می دهد. این روش جدید طیف‌سنجی نیرو از قدرت سنج‌های نانوسکوپی خود مونتاژ شده استفاده می‌کند، نیازی به ابزار ماکروسکوپی ندارد و می‌تواند تعداد زیادی مولکول را به صورت موازی تجزیه و تحلیل کند، که روند جمع‌آوری داده‌ها را به شدت افزایش می‌دهد.
با رویکرد جدید خود، محققان بر دو محدودیت اساسی رایج ترین ابزارهای طیف سنجی نیرو غلبه کرده اند. در مورد میکروسکوپ نیرو و روش‌های مبتنی بر موچین نوری یا مغناطیسی، مولکول‌های مورد بررسی همیشه مستقیماً به یک مبدل ماکروسکوپی متصل می‌شوند. آنها به کنترل دقیق موقعیت یک جسم - یک کره یا یک نوک فلزی تیز به اندازه یک میکرومتر - نیاز دارند که بر مولکول هایی که به آن جسم متصل شده اند، نیرو وارد می کند. این استراتژی از نظر فنی بسیار سخت است و داده های به دست آمده اغلب پر سر و صدا هستند.علاوه بر این، این روش‌ها را فقط می‌توان برای بررسی مولکول‌ها در یک زمان مورد استفاده قرار داد. روش جدید تمام این محدودیت ها را کنار می گذارد. فیلیپ نیکلز، یکی از اعضای گروه تحقیقاتی تیم لیدل، توضیح می دهد: «ساختارهایی که ما استفاده می کنیم کاملاً مستقل عمل می کنند. "و ما می توانیم از آنها برای مطالعه تعداد بی شماری مولکول به طور همزمان استفاده کنیم."
یک لمس سبک
اعضای گروه مونیخ، که به Cluster of Excellence NIM (Nanosystems Initiative Munich) وابسته است، استادان شناخته شده "اریگامی DNA" هستند. این روش از ویژگی‌های جفت شدن پایه DNA برای ساخت نانوساختارهایی از رشته‌هایی استفاده می‌کند که به صورت محلی به روشی که توسط توالی‌های نوکلئوتیدی آنها تعیین می‌شود، تا می‌شوند و جفت می‌شوند. در مورد حاضر، توالی‌های DNA طوری برنامه‌ریزی شده‌اند که با یکدیگر برهمکنش داشته باشند به گونه‌ای که ساختار نهایی یک گیره مولکولی است که می‌تواند برای اعمال نیروی معینی بر مولکول آزمایشی برنامه‌ریزی شود.برای این منظور، یک DNA تک رشته ای که حاوی یک توالی خاص است که قادر به جذب مولکول مورد نظر است، از یک بازوی گیره به بازوی دیگر می رسد. سپس نیروی اعمال شده را می توان با تغییر طول پایه تک رشته به پایه تنظیم کرد. نیکلز می‌گوید: «این معادل کشاندن یک فنر تا حدی است. در واقع، از این طریق می‌توان نیروهای بسیار کوچکی بین 1 تا 15 pN (1 pN=یک میلیاردیم نیوتن) اعمال کرد - که از نظر بزرگی با نیروهایی که بر روی پروتئین‌ها و ژن‌های سلول‌ها اثر می‌کنند، قابل مقایسه است. تیم لیدل می گوید: «در اصل، ما می توانیم هر نوع زیست مولکول را با این گیره ها جذب کنیم و خواص فیزیکی آن را بررسی کنیم.»
اثر نیروی اعمال شده با بهره گیری از پدیده انتقال انرژی تشدید فورستر (FRET) خوانده می شود. FRET شامل انتقال انرژی بین دو رنگ فلورسنت است و به شدت به فاصله بین آنها بستگی دارد. پروفسور فیلیپ تینفلد از TU Braunschweig توضیح می دهد.هنگامی که نیروی اعمال شده به مولکول آزمایشی برای تغییر شکل آن کافی باشد، فاصله بین نشانگرهای فلورسنت تغییر می کند و مقدار انتقال انرژی به عنوان یک معیار بسیار دقیق برای اعوجاج مولکول آزمایش در مقیاس نانومتری عمل می کند.
به همراه دینا گرومن از دانشگاه رگنسبورگ، این تیم از تکنیک جدید برای بررسی خواص پروتئین به اصطلاح TATA Binding استفاده کرده اند، یک تنظیم کننده ژن مهم که به یک توالی نوکلئوتیدی بالادستی خاص در ژن ها متصل می شود و به آن کمک می کند. بیان آنها را تحریک کند. آنها دریافتند که پروتئین TATA دیگر نمی تواند عملکرد طبیعی خود را انجام دهد اگر توالی هدف آن تحت نیرویی بیش از 6 pN قرار گیرد. - فناوری جدید به تازگی شروع به کار کرده است. اما از آنجایی که گیره‌ها کوچک هستند و به طور مستقل کار می‌کنند، ممکن است در آینده بتوان از آنها برای مطالعه فرآیندهای مولکولی در سلول‌های زنده در زمان واقعی استفاده کرد.
