Un nuovo tipo di pinzette biomolecolari potrebbe aiutare i ricercatori a studiare come le forze meccaniche influenzano l'attività biochimica di cellule e proteine. I dispositivi, troppo piccoli per essere visti senza un microscopio, utilizzano forze magnetiche ed elettroforetiche opposte per allungare con precisione le cellule e le molecole, tenendoli in posizione in modo da poter studiare l'attività dei recettori e altre attività biochimiche.

Gli array delle pinzette potrebbero essere combinati per studiare più molecole e cellule contemporaneamente, fornendo una capacità ad alto rendimento per valutare gli effetti delle forze meccaniche su larga scala. Dettagli dei dispositivi, sviluppati dai ricercatori del Georgia Institute of Technology e della Emory University di Atlanta, sono stati pubblicati il ​​19 febbraio 2014, nel diario Tecnologia .

"Il nostro laboratorio è stato molto interessato agli interruttori meccanico-chimici nella matrice extracellulare, ma attualmente abbiamo difficoltà a interrogare questi meccanismi e scoprire come funzionano in vivo, "ha detto Thomas Barker, professore associato presso il dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace H. Coulter presso la Georgia Tech e la Emory University. "Questo dispositivo potrebbe aiutare i biologi e gli ingegneri biomedici a rispondere a domande a cui non è possibile rispondere in questo momento".

Per esempio, una cellula che sta legando la matrice extracellulare può legarsi a un recettore mentre la matrice viene allungata, e un recettore diverso quando non è sotto stress. Queste differenze di legame potrebbero guidare cambiamenti nel fenotipo cellulare e influenzare processi come la differenziazione cellulare. Ma ora sono difficili da studiare.

"Avere un dispositivo come questo ci consentirà di interrogare quali sono i siti di legame specifici e quali sono i trigger di legame specifici, " ha spiegato Barker. "In questo momento, sappiamo molto poco di quest'area quando si tratta di biochimica delle proteine".

Gli scienziati sono stati in grado di studiare come singole cellule o proteine ​​sono influenzate da forze meccaniche, ma la loro attività può variare considerevolmente da cellula a cellula e tra le molecole. Le nuove pinzette, che sono costruiti utilizzando la nanolitografia, può facilitare lo studio di migliaia o più cellule e proteine ​​in aggregato. I ricercatori stanno attualmente testando il prototipo 15 per 15 di array che ritengono possa essere ampliato.

"Per me, non è sufficiente tirare e trattenere una singola proteina, " ha detto Barker. "Devo tirare e trattenere decine di migliaia di proteine ​​per utilizzare davvero le tecnologie che abbiamo per sviluppare sonde molecolari".

Al centro delle pinzette ci sono microsfere di polistirene da 2,8 micron che contengono nanoparticelle superparamagnetiche. Le minuscole perline sono progettate per aderire al campione in esame. Quel campione è attaccato a un tallone su un lato, e ad un pad magnetico dall'altro. Il magnete attira verso di sé la perlina, mentre una forza elettroforetica creata dalla corrente che scorre attraverso uno schema di cablaggio dorato spinge via il tallone.

"Il dispositivo spinge e tira simultaneamente la stessa particella, " ha spiegato Barker. "Questo ci permette di tenere il campione in una posizione molto specifica sopra il magnete".

Poiché le forze possono essere variate, le pinzette possono essere utilizzate per studiare strutture di scale dimensionali molto diverse, dalle molecole proteiche alle cellule – una differenza di dimensioni di circa mille volte, ha osservato Wilbur Lam, un assistente professore nel dipartimento Coulter. Le forze assolute nell'intervallo dei nano-Newton applicate dalle due sorgenti superano gli effetti molto minori del moto browniano e dell'energia termica, consentendo alle pinzette di trattenere le cellule o le molecole senza una regolazione costante.

"Stiamo fondamentalmente sfruttando la tecnologia dei microchip che è stata sviluppata da ingegneri elettrici e meccanici, " Lam ha osservato. "Siamo in grado di sfruttare queste caratteristiche molto piccole che ci consentono di creare un campo elettrico molto nitido su un'estremità contro un campo magnetico corto opposto. Perché ci sono due modi per controllarlo, abbiamo una risoluzione stretta e possiamo raggiungere molte scale diverse."

Come prova di principio per il sistema, i ricercatori hanno dimostrato la sua capacità di distinguere tra il legame dell'antigene a sfere magnetiche caricate rivestite con diversi anticorpi. Quando viene applicata una forza sufficiente verso l'alto, le perle rivestite di anticorpo non specifico vengono spostate dalla superficie del dispositivo rivestita di antigene, mentre le perle ricoperte con l'anticorpo specifico sono più fortemente attratte dalla superficie e trattenute su di essa.

Barker e Lam hanno iniziato a lavorare insieme sulle pinzette tre anni fa, quando si sono resi conto di avere interessi simili nello studio degli effetti dell'azione meccanica su diversi sistemi biologici.

"Non dovremmo essere sorpresi che la biologia possa essere dettata da parametri fisici, " spiegò Lam. "Tutto deve obbedire alle leggi della fisica, e la meccanica arriva al cuore di questo."

L'interesse di Lam è su scala cellulare, specificamente nelle cellule del sangue.

"Anche le cellule del sangue rispondono in modo diverso, biologicamente, quando le stringi e quando le allunghi, " ha detto. "Per esempio, abbiamo imparato che la meccanica ha molto a che fare con l'aterosclerosi, ma i sistemi di cui disponiamo attualmente per studiare questo meccanismo possono guardare solo agli eventi di una singola cellula. Se riesci a guardare più celle contemporaneamente, ottieni una visione statistica molto migliore di ciò che sta accadendo."

gli interessi di Barker, però, sono a livello molecolare.

"Siamo interessati principalmente all'evoluzione di anticorpi in grado di distinguere diverse conformazioni di proteine ​​mediate dalla forza, " ha spiegato. "Abbiamo una proteina specifica che ci interessa, ma questa tecnica potrebbe essere applicata a qualsiasi proteina sospettata di avere questi cambiamenti attivati ​​dalla forza nella loro attività biochimica".

Mentre le pinzette soddisfano le specifiche esigenze sperimentali di Lam e Barker, i ricercatori sperano di trovare altre applicazioni. Le pinzette sono state sviluppate in collaborazione con la studentessa Lizhi Cao e il borsista post-dottorato Zhengchun Peng.

"A causa della scala che siamo in grado di esaminare, sia molecolare che cellulare, penso che questo avrà molte applicazioni sia nell'ingegneria molecolare delle proteine ​​che nella biotecnologia, " Ha detto Lam. "Questo potrebbe essere un modo utile per le persone di esaminare le molecole rilevanti perché attualmente non ci sono buoni modi per farlo".

Al di là dei sistemi biologici, il dispositivo potrebbe essere utilizzato nello sviluppo dei materiali, microelettronica e persino il rilevamento.

"Questa capacità di rilevare eventi discreti di legame e separazione tra specie molecolari è di grande interesse in questo momento, " ha aggiunto Barker. "Le applicazioni di biosensori emergono naturalmente da questo".