Инженери създадоха микроскопично устройство, което е толкова чувствително, че може да усети силите, генерирани от плуващите бактерии и да чува туптенето на сърдечните мускулни клетки. То успява да чуе и превръщането на клетките в ракови, съобщава Science Аlert.
Устройството е оптична нишка с размер около 100 пъти по-тънък от човешки косъм. В култури от сърдечни мускулни клетки от мишка нано устройството може да засече звуци под -30 децибела - ниво, което е една хилядна пъти под лимита на човешкото ухо.
Положено в разтвор, съдържащ жив бактериии Helicobacter pylori (бактерии, обитаващи червата), то успява да засече сили до 160 фемтонютона - около десет трилиона пъти по-малко от един N (нютон).
Тук е необходимо едно уточнение. Килограмът е мярка за маса, а не на тегло, както е широко разпространеното мнение. Теглото е силата, с която гравитацията на Земята привлича обектите. Нютонът (N) е единицата за сила от Международната система единици. Тя е определена като силата, необходима за придаване на ускорение от 1 м/сек² на свободно тяло с маса 1 кг. Нютонът е производна единица, която се изразява чрез основни единици по следния начин:
1 N = 1 kg · m /s2
Това означава, че тяло с маса 1 кг тежи 9.81 N или приблизително 10 N, защото земното ускорение е 9.81 м/сек²
Една ябълка има маса 100г изпитва земно привличане със сила 1 N. Ако се върнем към постижението, 100 фемтонютона е теглото на парче ябълка, получено от нарязването й на 10 трилиона тънки парченца.
Чувствителността на устройството позволява на лекарите да наблюдават отделните клетки и да ги предупреждават при поява на процеси, при които нормалните клетки се превръщат в ракови. "Тази разработка може да отвори нови врати към проследяването на малки взаимодействия и промени, които не можеха да се проследят досега", коментира Доналд Сърбъли (Donald Sirbuly) един от екипа инженери от Университета на Калифорния Сан Диего.
Проучването е публикувано в Nature Photonics.
Снимка: UC San Diego
Микроскопи, които могат да засичат невероятно малки сили, вече съществуват, а най-добрият в тази област - атомно-силовия микроско (AFM) - се подобрява непрекъснато. За съжаление поради начинът, по който тези микроскопи работят, те не могат да бъдат пригодени към употреба в биологични системи.
Измерването на биологичните сили в много малки съдове изисква нов подход. Американският екип е създал оптична нишка, който е направен от тънък слой окис. За да бъде в състояние да възприема, този тънък окис е облечен с тънък полимерен слой, който след това е покрит със златни наночастици.
Употребата на нишка е много просто - всичко, което трябва да се направи, е да се потопи наночастицата и облечена в полимери жица в разтвор, съдържащ живи клетки или батерии.
Как работи? Светлина огрява оптичната нишка и взаимодейства със златните наночастици. Биологичните сили и звузи се сблъскват със златните наночастици, като ги притискат леко към полимерния слой. Притискането на наночастиците по-близо към нишката ги кара да си взаимодействат повече със светлината, което увеличава интензитета на засечената светлина.
Като използват този подход инженерите успяват да наблюдават малките сили, причинени от туптенето на сърдечните клетки и от движението на камишчетата на бактериите."Ние не само можем да открием тези малки сили и звуци, но можем да определим количеството им като използваме това устройтство. Това е нов инструмент за високочестотни наномеханични проучвания", коментира Сърбъли.
Снимка: Rhett S. Miller/UC Regents
След калибриране оптичната нишка доказано е 10 пъти по-чувствителна от атомно-силовия микроскоп.
Техниката може да засече различни биологични сили и звуци, защото като обвивка на тънката окисна нишка могат да бъдат използвани различни полимери. За да се измерят по-големи сили се изисква по-твърда полимерна обвивка, а по-малките сили се засичат с обвивка от много мек материал като хидрогел.
В бъдеще учените планират да използват нанонишки за измерване на биоактивността и механичното поведение на единичните клетки и да подобрят възможностите за "чуване" на нишката, за да създадат свръх-чувстителни биологични стетоскопи.
