17. juni 2021

Celleforskning med LASER

Biofysik:

En laserstråle giver en ekstremt kraftig lysstråle, som kan fokuseres ned til et ganske lille område. Det betyder, at en laser bruges som en slags pincet, der kan håndtere ganske små ting. Man kalder det en optisk pincet, og det er et fantastisk nano-værktøj, der kan bruges til at fange fx bakterier, virus eller nanopartikler og flytte rundt på dem. Den optiske pincet kan også måle kræfter og afstande. Dermed giver en optisk pincet vigtig information til forskerne om liv og materialer på nanometerskala.

Optisk manipulation i levende organismer

En optisk pincet er det eneste nanoværktøj, som kan række ind i en levende organisme, f.eks. i en celle, og manipulere organeller uden at ødelægge cellevæggen. Dermed kan en optisk pincet undersøge fysiske egenskaber af enkelte biologiske molekyler inde i levende celler.

Inde i cellen findes der en række forskellige molekylære motorer, som udfører mekanisk arbejde såsom:

1) at transportere proteiner
2) at læse og oversætte DNA koden til RNA
3) at oversætte RNA koden til protein syntese og ikke mindst til
4) at give cellen evnen til at bevæge sig som en slags mikroskopisk muskel. En optisk pincet kan måle den specifikke kraft og hastighed, som disse motorer udøver enkeltvis.

 

Cellens lappegrej

Laseren og plasmoniske partikler bliver også anvendt til at undersøge cellens lappegrej. Cellens væg får nemt huller, men celler har en evne til at lappe disse huller med såkaldte annexin proteiner. Disse proteinplastre lukker små huller, så cellen kan overleve.

Kræftceller har udviklet et særlig effektivt lappegrej bestående af disse annexiner og andre proteiner. Ved at belyse plasmoniske nanopartikler på cellens overflade, har vi punkteret kræftceller for at undersøge hvilke proteiner, som er involveret i lapningsprocessen.

En lipidkugle fanget i en optisk pincet
En optisk pincet - den røde stråle - kan fange en lipidkugle, som bæres af en molekylær motor, kinesin. På den måde kan man undersøge hvordan kinesin virker. (Mette Høst).

Ved at identificere disse proteiner, kan biologer med deres værktøjskasse "slukke" for visse gener, som koder for disse lapningsproteiner, og derved gøre kræftceller mere sårbare over for skader.

Artikel: Fysikviden om cellernes lappegrej kan bruges i kræftbehandling

Opvarmning af metalliske nanopartikler til at fjerne kræft-tumorer

Hvis man f.eks. sprøjter guld-nanopartikler ind i en tumor, så kan man bruge fokuseret laserlys til at opvarme nanopartiklerne, hvilket vil ødelægge det omkringliggende kræftvæv.

En del af laserlyset absorberes af det objekt, det rammer. Metalliske nanopartikler absorberer voldsomt lys med bestemte bølgelængder, et fænomen, som kaldes plasmonisk resonans.

Hvis man optisk fanger metalliske nanopartikler, kan man opvarme dem hundredvis af grader Celsius, afhængigt af laserens effekt og partiklernes størrelse og materiale.

Denne plasmoniske effekt kan man bruge f.eks. til at ødelægge biologisk væv eller på længere sigt til at fjerne kræft-tumorer, som du kan høre om i filmen ovenfor.

Hvordan fungerer en optisk pincet?

Når lys rammer et objekt, vil dele af lyset reflekteres, absorberes, eller brydes. Den del af lyset, som reflekteres, kastes tilbage ligesom man kender det fra et normalt spejl. Den del af lyset, som absorberes, frigives typisk som varme, hvilket man kender fra en sort overflade i sollys.

Billederne er fra optisk pincet-laboratoriet ved Niels Bohr Institutet. Hovednerven i en optisk pincet er en laser, som er fokuseret kraftigt af et objektiv. I Niels Bohr Institutets udstyr sidder objektivet bygget sammen med et mikroskop, som tillader, at man kan se prøven og fluorescente markører, mens man foretager optiske manipulationer.
Phd. studerende Victoria er her sammen med Younes Farhangibaroojii i gang med et celleforsøg i det nye Center for Bio-Manipulation (COBM).

Den del, som brydes, går igennem objektet, men med en anden vinkel, hvis objektet har et andet brydningsindeks end det omkringliggende medie, hvilket man f.eks. tydeligt ser, når lys går fra luft til vand i et akvarium.

Det er denne brydning som er ansvarlig for at vi kan anvende lys til at trække i og måle på små objekter så som bakterier, virus, celler og molekyler. Man kan bevæge dem rundt, mens man måler kræfter og afstande i pico-Newton og nanometer områderne, hvilket er typiske kræfter og afstande på enkeltmolekyle og cellulært niveau.

 

En optisk pincet til biologiske formål baseres ofte på lasere med bølgelængder mellem 800 og 1100nm, fordi disse bølgelængder næsten ikke absorberes af biologisk materiale eller vand. Hvis vand eller biologisk væv absorberer lyset, vil det føre til opvarmning og fotokemiske reaktioner.

Specielt er 1064nm et populært valg, fordi der findes højkvalitets-lasere med denne bølgelængde, og fordi netop denne bølgelængde er meget skånsom overfor levende materiale.

Fysikken bag den optiske pincet

Det lys, som brydes, vil - på grund af forskellen i brydningsindeks mellem objektet og det omkringliggende medie (Snells lov) - ændre retning. Når lys ændrer retning, ændres også lysets impuls (kraft er det samme som impulsændring).

En helt fundamental naturlov er, at der skal være impulsbevarelse i systemet. Derfor får det fangne objekt en lige så stor og modsat rettet impulsændring.

Princippet i en optisk pincet
Hvordan lys kan fange et objekt, der er væsentligt større end lysets bølgelængde. En laserstråle med varierende intensitetsprofil rammer det blå objekt, der skubbes mod højre - mod den mest intense del af laserstrålen.
Prøv selv en optisk pincet via dette link

Hvis man tager en laser med en Gaussisk intensitetsprofil som på tegningen til højre, og fokuserer den med en stærk linse, vil man få en intensitetsfordeling, som er mest intens i centrum af linsens fokus, og som aftager Gaussisk i alle retninger.

Hvis et objekt - her polystyrenkugle vist som blå - med et brydningsindeks, som er større end det omkringliggende medie, er placeret lidt til venstre for den mest intense del af strålen, som vist på billedet, vil impulsændringen (på grund af retningsændringen) af det indkomne lys - de sorte pile på tegningen - forårsage, at et objekt får en lige så stor og modsatrettet impulsændring.

På tegningen illustreres effekten af både en mindre intens del af lyset - den smalle sorte pil - og en mere intens del af lyset - den brede sorte pil. Impulsbevarelsen vil forårsage kræfter på kuglen, F1 fra den intense del af strålen og F2 fra den mindre intense del. Kræfterne er vist med røde pile på tegningen.

Netto giver det en resulterende kraft på kuglen, Fnet, som skubber kuglen mod den mest intense del af laserstrålen (fordi her er der flere fotoner som ændrer retning og derved impuls). Denne kraft kaldes gradientkraften, fordi den skyldes en gradient i laserstrålens intensitetsprofil.

Natascha Leijnse - Måling ved et typisk eksperiement
Natascha Leijnse - Måling ved et typisk eksperiment. Mikroskopet betjenes med drejehjulene på panelet under hylden med skærmene. Den midterste skærm viser et typisk eksperiment med fluorescent mærkede levende celler. Hovednerven i en optisk pincet er en laser, som er fokuseret kraftigt af et objektiv. I Niels Bohr Institutets udstyr sidder objektivet bygget sammen med et mikroskop, som tillader, at man kan se prøven og fluorescente markører, mens man foretager optiske manipulationer. (Ola Jakup Joensen). Foto: Ola Jakup Joensen

Nyt center for Bio-Manipulation (COBM)

Forskningsgruppen Experimental Biophysics & Optical Manipulation (NBI) tilbyder forskere verdensførende udstyr til optisk bio-manipulation. Forskningsgrupper fra Kemisk Institut, Kræftens Bekæmpelse, Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet) og fra DTU er brugere af infrastrukturen og andre forskere er også velkomne til at lave eksperimenter på udstyret.

Center for Optical Bio-Manipulation

 

 

Karrieremuligheder: Hvad kan jeg blive som Biofysiker?

Læs om Fysikuddannelsen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og Fysikuddannelsens opbygning.

Kontakt

Poul Martin Bendix leder forskningsgruppen beskæftiger sig med Optisk biomanipulation og eksperimentel biofysik.

  • Gruppen blev grundlagt for ca. 20 år siden, da Lene Oddershede & Kirstine Berg-Sørensen som de første i Danmark startede forskningen inden for optisk manipulation af biologiske systemer.
  • Gruppen har siden hen haft enorm videnskabelig succes, og er blevet internationalt anerkendt inden for eksperimentel biofysik.

I gruppen arbejder typisk både postdocs, phd studerende samt speciale- og bachelorstuderende tæt sammen, på tværs over flere faggrænser.

Poul Martin Bendix, Gruppeleder
Mobil: +4561602454
E-mail: bendix@nbi.ku.dk 

Se også: