CEITEC má nový mikroskop atomárních sil

CEITEC má nový mikroskop atomárních sil

V centrální laboratoři Nanobiotechnologie na brněnském institutu CEITEC Masarykovy univerzity nedávno dokončili instalaci nového přístroje. Jde o mikroskop atomárních sil JPK NanoWizard 4XP pro biomechanické studie, kombinovaný s optickým fluorescenčním mikroskopem.

Tento specializovaný bio-AFM mikroskop umožňuje lokální studium mechanických vlastností materiálů, a to od úrovně tkání či malých organismů až po úroveň jednotlivých biomolekul. Standardní AFM mikroskopy totiž nejsou pro práci s těmito vzorky uzpůsobeny.

Nový přístroj je však upraven pro práci s biologickými vzorky ve fyziologických podmínkách, a navíc poskytuje zásadně větší rozsah pohybu, což umožňuje vědcům studovat i velké a členité vzorky. Zkoumat tak lze mechanické vlastnosti kostních řezů, rostlinných částí, ale také například buněk v buněčných kulturách. Důležitou oblastí aplikace je studium přilnavosti buněk na nové druhy materiálů využitelné například při konstrukci tělních implantátů.

Mikroskopie atomárních sil je technika, která se používá od konce 80. let 20. století k trojrozměrnému zobrazování povrchů. Touto metodou vědci studují adhezivitu neboli přilnavost materiálu, ale také jeho elasticitu či plasticitu. Obraz povrchu se zde sestavuje postupně, bod po bodu. Metoda má velmi vysoké rozlišení a může zobrazovat až jednotlivé atomy.

Techniku AFM lze použít nejen k zobrazování, ale také k tvorbě struktur či opracování povrchů v nanometrové oblasti. Mikroskopy typu AFM patří do skupiny mikroskopů pracujících se skenující sondou (což je většinou pyramidální hrot nebo kulička). Interakce mezi ní a povrchem pak umožňuje vytvořit obraz topografie studovaného vzorku a také měřit jeho mechanické vlastnosti.

Nejlepší přístroje jsou schopné vidět jednotlivé atomy, ale to platí zejména o výzkumu v materiálovém inženýrství. Pokud se bavíme o bio-AFM mikroskopii, tedy aplikaci AFM pro studium biologických vzorků, mezní rozlišení začíná typicky na úrovni zobrazování dvoušroubovicové struktury v molekule DNA a končí na úrovni celých buněk, buněčných shluků a tkání, objasnil jedinečnost tohoto přístroje vedoucí sdílené laboratoře Nanobiotechnologie Jan Přibyl.

Novým trendem je podle něj použití AFM v takzvané nanoindentaci, kdy sonda mikroskopu slouží jako nanosensor, aplikující přesně řízenou sílu na vzorek. Tento experimentální přístup pak umožňuje lokální studium mechanických vlastností, adhezivity, elasticity či plasticity. Díky vysoké přesnosti AFM mikroskopu je pak možné sledovat tyto vlastnosti na úrovni jednotlivých biomolekul, ale samozřejmě je možné stoupat ve velikosti vzorků nahoru až na úroveň tkání či malých organismů. Hlavní výhodou tohoto mikroskopu je právě rozšířený měřící rozsah, po kterém už dlouho volali vědci pracující s velkými a členitými vzorky.

Potenciál přístroje rozšiřují moduly

Vědecký potenciál přístroje značně zvyšují rozšiřující moduly FluidFM a NanoIndentor Biosoft. FluidFM je speciální nadstavba AFM mikroskopu, kdy jinak plná sonda obsahuje mikrofluidní kanálek spojený s pumpou. Takový systém lze přirovnat k nanopipetě s extrémně přesným řízením nejen pohybu, ale i silové interakce. Nanopipeta pak může sloužit k pikoinjektáži roztoků do jednotlivých buněk či k extrakci extrémně malých objemů také na úrovni jednotlivých buněk.

Další zajímavou aplikací je studium adheze buněk na površích, což je základní parametr testování nových materiálů s potenciálním využitím pro konstrukci implantátů. V tomto procesu se buňka nasaje nanopipetou a vědci sledují sílu potřebnou k jejímu utržení z povrchu. Modul FluidFM poslouží také jako 3D nanotiskárna.

NanoIndentor BioSoft je modifikací standardního zkušebního tělesa (indentoru) pro práci s biologickými a velmi měkkými vzorky. Klasický indentor je zařízení založené na lineárním vysouvání tvrdého hrotu, který by se dal popsat jako jehla s přesně definovanou špičkou.

V průběhu vysouvání se studovaný materiál deformuje a z průběhu tohoto procesu jsou popsány jeho mechanické vlastnosti. Indentor však byl vyvinutý primárně pro materiálový výzkum, tedy pro velmi tvrdé a tuhé materiály, jakými jsou třeba slitiny, keramika či polovodiče.

Přístroj BioSoft je prvním svého druhu, který je vhodný pro práci s velmi měkkými vzorky. Zkoumat tak lze mechanické vlastnosti hydrogelů, buněk v buněčných kulturách, tkání, částí rostlin, ale také například kostních řezů či bakteriálních biofilmů. Přístroj tak vhodně doplňuje výsledky získané pomocí AFM nanoindentace.

Kromě standardního AFM zobrazování použitelného pro široké množství vzorků bude nový přístroj sloužit především vědcům studujícím skrze změny mechanických vlastností buněk patofyziologii různých chorob. Při instalaci mikroskopu uspořádala centrální laboratoř Nanobiotechnologie také sérii tří workshopů, kde seznámila vědce s potenciálem tohoto unikátního přístroje.