I ricercatori di Tufts hanno aperto la strada a un nuovo modo di studiare le proprietà delle cellule a risoluzioni e velocità senza precedenti, permettendo loro di esaminare più precisamente, Per esempio, le differenze tra le cellule cancerose e quelle sane. La tecnica potrebbe portare a test diagnostici più rapidi e accurati per una serie di malattie o persino offrire informazioni su come invecchiamo.

Utilizzando una combinazione di tecnologie di spettroscopia esistenti, Igor Sokolov, professore di ingegneria meccanica e biomedica, e il ricercatore post-dottorato Maxim Dokukin ha generato dati meccanici da tessuti e altri tipi di materiali biologici "morbidi" con risoluzioni fino a 100 volte migliori rispetto ai metodi attuali. La ricerca è stata pubblicata questa estate in Rapporti scientifici , un giornale ad accesso aperto pubblicato dal gruppo che produce il giornale Natura . Il lavoro è stato finanziato principalmente dalla National Science Foundation.

Sokolov paragona il progresso della nuova tecnica alla differenza tra il microscopio ottico, inventato nel XVI secolo, e il microscopio elettronico a scansione, sviluppato nel 1931. Con un cannocchiale ottico, puoi vedere oggetti più o meno delle dimensioni di un virus di grandi dimensioni, circa 200-300 nanometri. Microscopi elettronici a scansione, al contrario, può visualizzare oggetti piccoli da 1 a 20 nanometri, circa la dimensione delle grandi molecole nel DNA. Ma non sono utili con i materiali organici, dice Sokolov.

Il dispositivo inventato dal team di Sokolov, che chiamano FT-nanoDMA, poiché utilizza la spettroscopia a trasformata di Fourier (FT) e la spettroscopia meccanica dinamica (DMA) fino alla nanoscala (nano), può raccogliere con precisione informazioni sui materiali morbidi fino a 10-50 nanometri.

E può farlo rapidamente, impiegando meno di un secondo per punto di superficie per trasmettere le proprietà di un'area di 100 per 100 pixel in poche ore. Questo è rispetto ai 23 giorni richiesti dalle tecnologie concorrenti esistenti. La nuova tecnica può anche fare qualcosa che altri non possono:studiare le proprietà meccaniche dinamiche delle singole cellule. È su questa scala "dove in genere accadono cose nuove, "dice Sokolov.

Il nuovo approccio fornisce ai ricercatori informazioni sulla meccanica dei materiali morbidi, come le proteine ​​che compongono la nostra pelle e i nostri capelli e lunghe catene di molecole note come polimeri, che si verificano naturalmente o sono progettati. Il nuovo metodo misura una caratteristica nota come viscoelasticità - la capacità di un materiale di allungarsi sotto pressione e di riprendersi a una velocità definita - pensa a Silly Putty rispetto a un elastico.

I dati risultanti potrebbero essere utilizzati per valutare le proprietà delle cellule maligne e di quelle sane, con il potenziale per lo sviluppo veloce, test diagnostici accurati, dice Sokolov. Una migliore comprensione delle proprietà meccaniche di altri tipi di cellule potrebbe anche far luce sulle malattie vascolari e renali, Alzheimer, cataratta e persino il processo di invecchiamento, per dirne alcuni, lui dice.

Un Santo Graal della nanomeccanica

Considera come cambiano le cellule della pelle con l'avanzare dell'età. "Diventano drammaticamente più rigidi, " Sokolov dice. "Possiamo vedere differenze dettagliate nelle caratteristiche biomeccaniche delle cellule? Possiamo aggiustare la rigidità della vecchia cellula per riportarla al livello giovane?"

I ricercatori in genere misurano la viscoelasticità testando i materiali a varie frequenze, o tassi di vibrazioni. Gli scienziati scansionano queste frequenze una alla volta, come fare clic sui canali TV con un telecomando, ed esaminare le proprietà meccaniche in ogni "stazione". La svolta del team di Sokolov è arrivata quando hanno trovato un modo per utilizzare l'intero spettro di frequenze. Hanno deciso, "Perché non provarli tutti in una volta?"

Non era stato fatto prima, Sokolov dice, perché "avresti interferenza, " o interferenze tra le frequenze. "Ci sono voluti sette anni per capire come avremmo potuto farlo, ma ora abbiamo un dispositivo che lo fa con precisione."

Sebbene il nuovo metodo sia all'avanguardia - Sokolov lo chiama "un Santo Graal della nanomeccanica" - manca di una caratteristica normalmente associata alle innovazioni high-tech:un prezzo elevato. Questo perché il gruppo di tecnologie impiegate dal loro dispositivo, compresa la microscopia a forza atomica (AFM), esistono da 20 anni o più. Usarli insieme richiede poco più di un software aggiuntivo per sincronizzare le varie tecnologie. "Può essere facilmente implementato negli AFM esistenti a un costo moderato e dovrebbe fornire un impatto immediato, "dice Sokolov.

La microscopia a forza atomica era una, se non il, strumento principale responsabile dell'emergere delle nanotecnologie, osserva Sokolov, che utilizza AFM da più di due decenni. Sviluppando questa nuova tecnica di imaging, lui e i suoi colleghi hanno ampliato la portata di AFM, permettendogli di quantificare nuove caratteristiche dei materiali su una scala prima inaccessibile.

"And it will accomplish this more than 100 times faster, " Sokolov adds. "This will open a new dimension in characterization of mechanical properties of soft materials."