Nanokokoinen voimaanturi parantaa erittäin tarkkaa mikroskopiaa

21. elokuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Viimeaikaiset solubiologian tutkimukset tuovat esiin uraauurtavia tuloksia. Kansainvälinen tutkijaryhmä on hiljattain perustanut kehittämänsä työkalun solun mekaniikan tutkimiseen. Työkalulla voidaan tutkia solun sisäisiä voimia, esimerkiksi ydinkalvon venymistä. Mikroskooppinen voimaanturi, vain noin 0.00002 mm pitkä, on rakennettu eksoottisista ainesosista, kuten hämähäkin verkkoproteiinin osista, meduusan fluoresoivista proteiineista ja alpakan vasta-aineista. Lisäksi monitieteinen tutkijaryhmä on kehittänyt edelleen superresoluutiomikroskooppitekniikan herkkyyttä. Monissa tapauksissa solut liikkuvat erittäin aktiivisesti ja toimivat sähköntuotteina. Solujen kyky tuottaa fyysisiä voimia on yksi kehon perustoiminnoista. Esimerkiksi juostessa soluissa syntyvät voimat saavat lihakset supistumaan ja hengityksen toimimaan. Jopa yksittäisten proteiinien kokemia voimia on pystytty mittaamaan aiemmin kehitetyillä voima-antureilla, mutta aiemmin solunsisäisiä voimia ja mekaanisia rasituksia ei ole voitu mitata. Fluoresoivasti leimatut soluytimet, kuvattu konfokaalimikroskoopilla. Kuvan koko noin 0.03 mm x 0.02 mm. (Kuva: Teemu Ihalainen) Tampereen yliopiston solubiologian tutkijat ovat kehittäneet yhdessä Ohio State University OSU:n tutkijoiden kanssa voimaanturin, joka voidaan kiinnittää mekaanisesti reagoivan proteiinin kylkeen, jolloin se havaitsee voimia ja rasitusta proteiiniin solussa. Mikrokokoisen anturin kehitys alkoi konferenssimatkalla joulukuussa 2019. ”Meillä oli idea uudenlaisesta anturista illallisella. Tehon tunnistava osa on kuin kuminauha, joka muuttaa väriä venyessään. Tämä osa on kiinnittynyt kuminauhan molemmissa päissä oleviin vasta-aineisiin, jotka sitoutuvat tutkittavaan solun kohdeproteiiniin. Tutkitun proteiinin voima tai venymä voidaan sitten havaita mikroskoopilla seuraamalla kuminauhan venymää eli sen tuottamaa väriä”, kertoo erikoistutkija Teemu Ihalainen BioMediTechistä Tampereen yliopistosta. Ihalaisen mukaan vain parinkymmenen nanometrin kokoinen voima-anturi on helposti yleistettävissä monenlaiseen solubiologian tutkimukseen ja erilaisiin kohdeproteiineihin. Proteiinibiosensorin avulla voidaan mitata voimia esimerkiksi tumakalvossa, eri proteiinien välillä tai yleensä solun sytoskeletossa. Sen avulla solun mekaniikka voidaan muuttaa näkyvään muotoon ensimmäistä kertaa. Kiinnostus tätä teknologiaa kohtaan on ollut jo suurta useissa laboratorioissa Japanissa, Intiassa, Norjassa ja Yhdysvalloissa.

Solun sisäiset voimat antavat tietoa syövän mekaniikasta

Solut ovat jatkuvasti alttiina voimille, sekä normaaleissa kehon toiminnoissa että sairauksissa. Esimerkiksi syöpäsolun kasvaessa ja liikkuessa soluihin kohdistuu mekaanisia voimia. Kun syöpä leviää esimerkiksi tunkeutuessaan veri- tai imusuoniin, syöpäsolun täytyy puristaa mikroympäristönsä kapeiden rakojen läpi. Siten syöpäsoluihin kohdistuu voimakkaita puristus- ja venytysvoimia, jotka voivat hajottaa osan soluista. Tuman vaurioituminen voi muuttaa sen genomirakennetta, mikä voi joissain tilanteissa olla jopa hyödyllistä syövän kehittymiselle. "Antureiden avulla syövän mekaniikkaa ja siihen liittyviä prosesseja voidaan seurata täysin uudesta näkökulmasta", Ihalainen mainitsee. Tutkimus julkaistiin vuonna Luonto Viestintä ("Molekulaarisen voiman biosensorin paljastamat ydinlaminan jännitystilat"). Kuvassa näkyy vasemmalla olevan solunsisäisen voima-anturin toimintaperiaate. Fluoresoivat proteiinit (keltainen ja syaani) ovat peräisin meduusoista, kun taas kuminauhaosassa (musta) on käytetty hämähäkinverkkoproteiinia. Kohdeproteiinia sitovat vasta-aineet (tummanruskeat) ovat peräisin alpakoista. Oikealla olevassa kuvassa on vertailu superresoluutiomikroskopiaan ja tavanomaiseen solun ytimen mikroskopiakuvaukseen. (Kuva: Teemu Ihalainen)

Pienimmätkin yksityiskohdat voidaan nähdä superresoluutiolla mikroskoopilla

Toinen äskettäinen tutkimus jalosti laajennusmikroskoopia yhdistämällä solubiologian ja signaalinkäsittelyn asiantuntemusta. Solubiologian tutkijoiden lisäksi tutkimukseen osallistui Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnan kuvantamisasiantuntijoita sekä virologeja Jyväskylän yliopistosta. Valomikroskopian resoluutio on rajallinen, koska näytteen pienten rakenteiden yksityiskohdat ovat epäselviä linssin ja valon vuorovaikutusten vuoksi. Erilaiset superresoluutiomikroskoopin tekniikat mahdollistavat kuitenkin hyvin pienten yksityiskohtien erottamisen. Yksi näistä tekniikoista on ns. laajennusmikroskopia, jonka periaatteena on suurentaa kohdetta fyysisesti, esim. soluun ja näin ollen katsoa sen sisällä olevia pieniä asioita. Käytännössä näyte valetaan pehmeään geeliin, jota voidaan nelinkertaistaa tai enemmän, ja se myös suurentaa kaikkia näytteen yksityiskohtia. ”Ongelmana on kuitenkin ollut se, että mitä pienempiä solun yksityiskohtia tutkitaan, sitä vähemmän molekyylejä näkyy. Tämä tarkoittaa, että näytteestä on saatu vähemmän signaalia eli informaatiota, ja yleensä kohinaa on paljon, vähän kuin lunta televisioruudulla”, Ihalainen sanoo. Tutkimusryhmä havaitsi, että ratkaisu ongelmaan voisi olla solujen toistuva fluoresoiva leimaus. He kehittivät ajatuksen kohdeproteiinien leimaamisesta monta kertaa, jotta ne näyttäisivät kirkkaammilta ja tarjoavat enemmän tietoa. "Käytännössä teimme pumppaamalla enemmän fluoresoivia molekyylejä kohdeproteiineihin ikään kuin lisäisimme heijastimia. Yksinkertainen ja helppo menetelmä paransi huomattavasti kuvan resoluutiota ja kontrastia. Kuvista poistettiin myös laskennallisesti kohinaa, mikä lisäsi kuvan terävyyttä entisestään, hän mainitsee. Toisin kuin monet superresoluutioiset mikroskopiatekniikat, laajennusmikroskopia ei vaadi kalliita instrumentteja ja on helppo toteuttaa. Tutkijoiden kehittämä tekniikka on erityisen hyödyllinen todella pienten yksityiskohtien tutkimiseen. Esimerkiksi 120 nanometrin Herpes-viruksen rakenteen tarkasteleminen on nyt mahdollista jopa valomikroskoopilla. Perinteisessä valomikroskopiassa virukset näkyvät vain yksittäisinä pisteinä. Tutkimus julkaistiin vuonna Solun molekyylibiologia ("Iteratiivinen immunovärjäys yhdistettynä laajennusmikroskopiaan ja kuvankäsittelyyn paljastaa ydinlaminan nanoskooppisen verkkoorganisaation"). ”Molemmat tutkimukset ovat perustutkimuksia. Etsimme ymmärrystä siitä, kuinka solut periaatteessa toimivat. Siksi VTT:ltä saatu tutkimusrahoitus ja mahdollisuus työskennellä Tampereen tutkijainstituutissa (IAS) ovat olleet näissä hankkeissa erittäin tärkeitä tekijöitä, Ihalainen toteaa.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• ChartPrime. Nosta kaupankäyntipeliäsi ChartPrimen avulla. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63523.php