Astrofysik:
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.
Plasmoniske partikler
Plasmoniske partikler er metalliske nanopartikler som vekselvirker kraftigt med lys. Denne vekselvirkning opstår mellem lysets fotoner og svingninger i partiklens elektroner, som kaldes plasmoner (deraf navnet plasmonisk partikel).
Maximal vekselvirkning opnås når fotonens frekvens eller svingningshastighed er den samme som elektronernes svingningshastighed – lidt ligesom når du gynger dit barn med den rigtige hastighed eller timing, og derved opnår den maximale overførsel af kraft fra dig til barnet.
Når lyset er i resonans med partiklens plasmoner opnås der kraftig absorption af lysets energi, som derved omdannes til varme. Denne proces er den samme som når sollys opvarmer metalliske overflader, men effekten er meget mere kraftig i plasmoniske nanopartikler, da netop disse, på grund af deres størrelse og form, har plasmoner med den samme frekvens som lys, og derved opnås resonans effekten.
Den resulterende plasmoniske opvarmning anvendes til fjernvarmning af nanopartikler, som er inde i levende celler og biologisk væv. Derved opnås lokal opvarmning med kirurgisk præcision.
Nanopartikler kan optages i celler og biologisk væv på mange forskellige måder uden at foretage indgreb. Derved kan plasmonisk opvarmning af celler og væv opnås ved at anvende rødt lys med stor biologisk gennemtrængningsdybe.
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.
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.
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.
Hvordan kan lys fange et objekt?
Når lysets bølgelængde er større end det objekt man fanger (λ << d) kan man anvende almindelig geometrisk optik. Det lys, som reflekteres fra objektet, vil primært skubbe objektet i laserstrålens retning. Det lys, som absorberes, vil opvarme objektet.
Det fysiske princip bagved af fange noget optisk, er loven om impulsbevarelse. Impuls af et objekt er dets masse gange hastighed (mv). Da lys er en foton/bølgepartikel og derved ingen masse har, er det lidt overraskende, at lys alligevel har en meget lille impuls i hver foton.
Kraften på et objekt er altid lig en ændring i impulsen. Hvis lyset rammer et objekt, og derved ændrer retning gå grund af refleksion eller brydning, så ændres impulsen (fordi hastigheden får en ny retning) og der ydes derfor en kraft fra objektet på lyset.
Loven om impulsbevarelse kræver, at lyset også påvirker objektet med den samme kraft, dog i modsat retning så de tilsammen udsletter hinanden. For at fange et objekt kræves der yderligere at laserstrålen har en intensitets profils, hvor lyset er mest intenst i midten af strålen som vist på figuren.
I vores lab kræver vi yderligere, at laserstrålen er fokuseret hvilket gøre det muligt at flytte rundt på objekter i tre dimensioner.
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.
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.
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
I Centeret for Optisk Bio- Manipulation (COBM), finansieret af Novo Fonden, kombinerer vi to Nobel Pris vindende teknologier, Optical Tweezers (Optisk Pincet) med en mikroskopi teknik kaldet STED baseret på Stimulated Emission by Depletion mikroskopi.
-
Ved at kombinere den høje opløsning fra STED med fire optiske fælder kan vi tilbyde det lokale forskningsmiljø det verdensførende nyeste udstyr inden for optisk manipulation. Det nye udstyr fra Novo har stort potentiale til at løfte et i forvejen stærkt interdisciplinært forskningsmiljø inden for molekylær biologi, kræftforskning, fysik, nanovidenskab og kemi i København.
-
Udstyret vil primært blive anvendt af forskningsgrupper fra Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet, Danish Cancer Research Center, Kemisk Institut (og Nanoscience Center), Niels Bohr Institutet (NBI) og Danmarks Tekniske Universitet (DTU).
-
Formålet med COBM er at fungere som et knudepunkt for det lokale interdisciplinære forskningsmiljø med hensyn til optisk manipulation af biologiske systemer, og skal katalysere forskningssamarbejde henover videnskabelige discipliner.
-
Nye brugere med interessante videnskabelige problemstillinger er velkomne til at kontakte os med henblik på at lave forsøg med optisk manipulation. Besøg Center for Optical Bio-Manipulation hjemmesiden her >>
Karrieremuligheder: Hvad kan jeg blive som Biofysiker?
Kontakt
Victoria Thusgaard Ruhoff er Ph.d.-studerende på Niels bohr Institutet ved sektionen for Biokompleksitet
Email: v.ruhoff@nbi.ku.dk
Lektor Poul Martin Bendix er leder af forskningsgruppen, der beskæftiger sig med Optisk biomanipulation og eksperimentel biofysik. E-mail: bendix@nbi.ku.dk
- 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.