Come visualizzi le forze estremamente piccole connesse a processi come la crescita e lo sviluppo embrionale? I ricercatori di Wageningen hanno sperimentato una combinazione di tecnologia laser e chimica, inventando un sensore costituito da una singola molecola che è alcune centinaia di volte più accurato dei dispositivi esistenti utilizzati per misurare le nanoforze a livello molecolare. I ricercatori descrivono i loro risultati nel numero del 18 gennaio della rivista scientifica chimica .

Le forze sperimentate dalle molecole nelle cellule, ma anche in tutti i materiali che ci circondano, sono così piccoli che anche i dispositivi di misurazione esistenti più accurati sono a malapena in grado di rilevare se si tratta di una forza. "Fino ad ora, tutto era bianco o nero, o c'era una forza o non c'era:i metodi esistenti non potevano determinare nulla nel mezzo, "dice Joris Sprakel, leader del gruppo di ricerca presso Sprakel Lab e il Physical Chemistry and Soft Matter Group della Wageningen University &Research. "Con un team di tre giovani ricercatori e uno studente avanzato abbiamo riunito diverse aree di competenza. E ci è venuta l'idea che dovesse essere teoricamente possibile rilevare le forze a livello molecolare utilizzando la molecola stessa come nano misuratore Non misuriamo più il bianco o il nero, ma "cinquanta sfumature di grigio" per così dire."

Espresso in termini tecnici, rilevare la forza di una molecola ha una risoluzione di 100 femtonewton. Come una forza, questo è scritto come 0,0000000000001 newton (1 newton sembra circa 100 grammi). "Ma una molecola è anche incredibilmente piccola, circa un nanometro, o un milionesimo di millimetro, " dice Joris Sprakel. "Questa forza di cento femtonewton che preme su una molecola di un nanometro può essere paragonata alla forza di un granello di sabbia sulla spalla di una persona. E possiamo misurare forze così piccole con le relazioni che sono un miliardo di volte più piccole".

Utilizzando il nuovo metodo di misurazione, i ricercatori hanno ottenuto maggiori informazioni sulle forze che sono attive a livello molecolare nelle cellule viventi delle piante, animali e umani. "Per esempio, nello sviluppo embrionale delle cellule vegetali, sappiamo che forze minuscole determinano quando una cellula si divide e in quale direzione. Quindi alla fine, questi stimoli meccanici determinano come si sviluppa l'embrione della pianta, ma fino ad ora non era possibile misurarlo, " dice Sprakel. "In precedenza, non abbiamo avuto accesso diretto a fenomeni fisici su questa scala, e se non lo vedi, è quasi impossibile capire come funziona. Se comprendi il ruolo delle nanoforze nei processi biologici, a lungo termine, potrebbe essere possibile prevenire alcune malattie dovute a errori in queste forze cellulari. Ma questo è ancora qualcosa per il futuro; ora abbiamo dimostrato come possiamo misurare questo tipo di forze "non misurabili". Nella mia squadra, stiamo attualmente lavorando per applicare questo approccio ai processi cellulari".

Molecola come dispositivo di misurazione

Secondo Joris Sprakel, prendendo questo tipo di sensibilità, non sono possibili misurazioni su piccola scala utilizzando un grande dispositivo di misurazione in una cella. I ricercatori hanno quindi creato molecole che fungono da dispositivi di misurazione. Ciascuno dei sensori molecolari realizzati dal team funziona come un misuratore di nano-forza. Per misurare la molecola e determinare la forza, i ricercatori puntano un laser su una molecola. Questa molecola restituisce la luce in una tonalità diversa, permettendo al gruppo di ricerca di determinare la quantità di forza. In modo cruciale, perciò, il metodo non consiste solo in una nuova molecola o in un nuovo strumento, ma di una combinazione dei due.

"Avevamo bisogno di un forte team interdisciplinare per questo, " dice Sprakel. "Questa svolta è stata ottenuta dalla combinazione unica di quattro giovani ricercatori nel mio team, ognuno con la propria area di competenza. Significava che siamo stati finalmente in grado di realizzare questo sogno a lungo accarezzato".