Le forze esercitate da una cellula vivente o da un microrganismo sono minuscole, spesso non più grande di pochi nanonewton. Per confronto, un nanonewton è il peso di una parte su un miliardo di una tipica tavoletta di cioccolato. Ancora, per cellule biologiche e microbi, queste forze sono sufficienti per consentire alle cellule di aderire a una superficie o ai microbi per spingersi verso i nutrienti. Scienziati finlandesi e tedeschi presentano ora una tecnica altamente adattabile che utilizza sensori di forza a micropipette per misurare con precisione le forze esercitate da un'ampia gamma di organismi di dimensioni micron. Questo nuovo metodo è stato ora pubblicato in Protocolli Natura .

Per rimanere in vita e proliferare, una cellula biologica ha bisogno di adattarsi alle sue condizioni ambientali. La capacità di farlo coinvolge principi fisici e forze meccaniche. Le cellule possono attaccarsi alle superfici e ad altre cellule per formare eventualmente un biofilm, una struttura che protegge la comunità di cellule dagli attacchi esterni. Molti microrganismi possono muoversi attivamente strisciando su una superficie o nuotando in un liquido, Per esempio, verso una fonte di nutrienti. Per approfondire la comprensione della motilità microbica, è importante misurare le forze meccaniche associate al loro movimento.

Lo sviluppo di sensori di forza a micropipette per misurare le forze delle cellule viventi e dei microrganismi è descritto in un lavoro congiunto della dott.ssa Matilda Backholm e del dott. Oliver Bäumchen. "Il principio di funzionamento della tecnica del sensore di forza delle micropipette è meravigliosamente semplice:osservando otticamente la deflessione di una micropipetta calibrata, le forze agenti sulla pipetta possono essere misurate direttamente, "dice Matilda Backholm, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Aalto in Finlandia.

Una micropipetta è un ago di vetro cavo con uno spessore di circa il diametro di un capello umano o anche più piccolo. Uno dei vantaggi più notevoli di questa tecnica è che può essere applicata a una grande varietà di sistemi biologici, che vanno da una singola cellula a un microrganismo di dimensioni millimetriche. "Abbiamo esemplificato la versatilità del nostro metodo utilizzando due sistemi modello di microbiologia, ma certamente, la tecnica può e sarà applicata in futuro ad altri sistemi biologici, "dice Oliver Bäumchen, capogruppo di ricerca presso il Max Planck Institute of Dynamics and Self-Organization di Göttingen, Germania.

"L'idea alla base della tecnica è quella di combinare i vantaggi di diverse tecniche biofisiche consolidate. Usiamo una micropipetta per afferrare una cellula vivente esattamente come avviene nella fecondazione in vitro, e studiare le forze meccaniche misurando la deflessione della pipetta utilizzando i principi di misurazione alla base della microscopia a forza atomica, una tecnica di misurazione standard in fisica, "dice Baumchen.

Il Dr. Backholm sottolinea un altro grande vantaggio:"A differenza di altri metodi di misurazione della forza, rileviamo la deflessione della nostra micropipetta altamente sensibile semplicemente osservandola con un microscopio all'avanguardia. Questo ci permette di ispezionare la forma e il movimento del microrganismo con un'elevata risoluzione ottica, mentre misuriamo le forze simultaneamente."

Durante tutto questo, la cellula o il microrganismo è completamente intatto e vivo, che consente di testare la sua reazione ai farmaci e ai nutrienti, temperatura e altri fattori ambientali. "La risoluzione della forza è davvero notevole. Con i nostri recenti progressi tecnologici, siamo riusciti a rilevare con successo forze fino a una decina di piconewton, che è buono quasi quanto un microscopio a forza atomica, " dice il dottor Bäumchen.

I ricercatori si aspettano che il loro metodo venga applicato in futuro in altri laboratori di ricerca per affrontare importanti questioni biofisiche, mirando a una migliore comprensione delle funzioni biologiche delle cellule e dei microrganismi, così come i loro principi fisici sottostanti. Il Dr. Backholm sottolinea che queste vie di ricerca possono effettivamente far progredire le applicazioni biomediche e biotecnologiche:"La tecnica del sensore di forza delle micropipette potrebbe aiutare a identificare i farmaci per combattere le malattie infettive e inibire la formazione di biofilm su impianti medici, solo per citare alcuni esempi in cui questo nuovo approccio potrebbe avere un impatto significativo".