Un gruppo di ricerca composto dal Professor Takayuki Shibata e dai suoi colleghi del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università di tecnologia di Toyohashi, ha dato maggiori funzionalità alla microscopia a forza atomica (AFM). Il nostro team di ricerca è riuscito a eseguire un intervento chirurgico minimamente invasivo su cellule viventi utilizzando l'ossidazione fotocatalitica controllata in uno spazio su nanoscala e visualizzando informazioni dinamiche sulle biomolecole intracellulari. Questa tecnica proposta per controllare e visualizzare il processo di espressione della funzione cellulare ad alto livello ha un potenziale significativo come un forte sistema di nanofabbricazione e nanomisurazione per risolvere il mistero della vita.

Una comprensione integrata dei fenomeni della vita e il loro controllo sono assolutamente essenziali per l'ulteriore sviluppo dei settori medico e farmaceutico. La tesi per creare innovazione nella vita è risolvere la struttura e la funzione di biomolecole come genomi, proteine, e catene di zucchero e risolvono anche la funzione delle cellule, che sono l'unità di base per l'attività della vita. Perciò, miriamo a stabilire una tecnologia per la chirurgia minimamente invasiva per colpire le cellule viventi a livello molecolare (la mano di Dio per manipolare la funzione delle cellule) e visualizzare i cambiamenti nel comportamento dinamico delle biomolecole intracellulari e lo stato della proteina della membrana cellulare a un singolo livello molecolare (L'occhio di Dio per vedere la funzione delle cellule), e quindi fornire un'innovativa piattaforma di nanofabbricazione e nanomisurazione per risolvere il mistero della vita.

Qui, il nostro team di ricerca è riuscito a dare due nuove funzioni alla microscopia a forza atomica (AFM). Il primo progresso consiste nel rivestire l'apice della punta di una sonda AFM con un sottile film di ossido di titanio (TiO ₂ ) noto come fotocatalizzatore. Con questo metodo, la reazione fotocatalitica è localizzata in uno spazio su scala nanometrica (regione di 100 nm) in prossimità dell'apice della punta per ottenere una perforazione della membrana cellulare minimamente invasiva. Di conseguenza, la probabilità di perforazione della membrana cellulare raggiunge il 100%, e si ottiene anche una vitalità cellulare del 100%, permettendoci di verificare che sia possibile eseguire interventi di chirurgia mininvasiva. Il secondo progresso consiste nell'inserire l'apice della punta di una sonda AFM rivestita con nanoparticelle di argento (Ag) in una cellula vivente. Siamo così riusciti ad acquisire uno spettro Raman sensibile che origina dalle proteine, DNA, lipidi, ecc. (Spettroscopia Raman potenziata dalla punta, TER). Con questo metodo, una differenza nel rapporto delle biomolecole tra il nucleo di una cellula e il citoplasma è stata visualizzata come informazione all'interno di una cellula, e si è riscontrato che esiste una correlazione inversa (fenomeno che all'aumentare, l'altro diminuisce) tra proteine ​​e glicogeno (detto anche amido animale) come cambiamenti temporali nelle biomolecole all'interno delle cellule.

Al fine di realizzare contemporaneamente funzioni di nanofabbricazione e nanomisurazione, stabiliremo una funzione spettroscopica Raman potenziata dalla punta (TERS) rivestendo la superficie di un TiO ² -sonda AFM funzionalizzata con nanoparticelle di Ag in futuro. Questa funzione sarà in grado di visualizzare il processo delle reazioni di degradazione delle sostanze organiche basate sull'ossidazione fotocatalitica (cambiamenti nelle strutture molecolari) durante il processo di chirurgia cellulare. Mireremo anche a raggiungere un mezzo per misurare una singola molecola in una proteina di membrana cellulare bersaglio utilizzando l'elevata capacità di riconoscimento molecolare di una reazione antigene-anticorpo, e mireremo a stabilire una tecnica per la nanofabbricazione selettiva per una singola molecola nella proteina di membrana bersaglio identificata con i mezzi di cui sopra. Si prevede che questa tecnica proposta possa risolvere i meccanismi delle funzioni vitali ed essere applicata a lavori come lo sviluppo di nuovi farmaci.