Ingenieurs maken optische pincetten op micronschaal

In 2018 werd de helft van de Nobelprijs toegekend aan Arthur Ashkin, de fysicus die optische pincetten ontwikkelde, het gebruik van een strak gefocuste laserstraal om objecten op micronschaal (de grootte van rode bloedcellen) te isoleren en te verplaatsen. Nu heeft Justus Ndukaife, assistent-professor elektrotechniek aan de Vanderbilt University, de allereerste opto-thermo-elektrohydrodynamische pincet ontwikkeld, optische nanotweezers die objecten op een nog kleinere schaal kunnen vangen en manipuleren.

Het artikel, “Stand-off trapping en manipulatie van objecten en biomoleculen onder de 10 nm met behulp van opto-thermo-elektrohydrodynamische pincetten” werd online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie op 31 augustus.

Het artikel is geschreven door Ndukaife en afgestudeerde studenten Chuchuan Hong en Sen Yang, die onderzoek doen in het laboratorium van Ndukaife.

Optische pincetten op micronschaal vertegenwoordigen een aanzienlijke vooruitgang in biologisch onderzoek, maar zijn beperkt in de grootte van de objecten waarmee ze kunnen werken. Dit komt doordat de laserstraal die fungeert als de tang van een optische pincet het laserlicht slechts tot een bepaalde diameter (ongeveer de helft van de lasergolflengte) kan focussen. In het geval van rood licht met een golflengte van 700 nanometer, kan de pincet met een laag vermogen alleen objecten met een diameter van ongeveer 350 nanometer of meer scherpstellen en manipuleren. Grootte is natuurlijk relatief, dus hoewel een afmeting van 350 nanometer extreem klein is, laat het de nog kleinere moleculen weg, zoals virussen, die binnenkomen met 100 nanometer, of DNA en eiwitten die minder dan 10 nanometer meten.

De techniek die Ndukaife met OTET ontwikkelde, laat enkele microns tussen de laserstraal en het molecuul dat het vangt, een ander belangrijk element van hoe deze nieuwe, kleine pincetten werken. “We hebben een strategie ontwikkeld die ons in staat stelt om extreem kleine voorwerpen te pincet zonder ze bloot te stellen aan licht van hoge intensiteit of hitte die de functie van een molecuul kan beschadigen”, zei Ndukaife. “Het vermogen om zulke kleine objecten te vangen en te manipuleren, geeft ons de mogelijkheid om de manier waarop ons DNA en andere biologische moleculen zich gedragen tot in detail, op een uniek niveau, te begrijpen.”

Vóór OTET konden moleculen zoals extracellulaire blaasjes alleen worden geïsoleerd met behulp van hogesnelheidscentrifuges. De hoge kosten van de technologie hebben echter een brede acceptatie belemmerd. OTET daarentegen heeft het potentieel om breed beschikbaar te worden voor onderzoekers met kleinere budgetten. Het pincet kan ook objecten sorteren op basis van hun grootte, een benadering die belangrijk is bij het zoeken naar specifieke exosomen, extracellulaire blaasjes die worden uitgescheiden door cellen die ervoor kunnen zorgen dat kankers metastaseren. Exosomen variëren in grootte van 30 tot 150 nanometer, en het sorteren en onderzoeken van specifieke exosomen is doorgaans een uitdaging gebleken.

Andere toepassingen van OTET die Ndukaife voor ogen heeft, zijn onder meer het detecteren van pathogenen door virussen op te sluiten voor studie en onderzoek naar eiwitten die bijdragen aan aandoeningen die verband houden met neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer. Beide toepassingen kunnen bijdragen aan het vroegtijdig opsporen van ziekten, omdat het pincet effectief lage niveaus van moleculen kan opvangen, wat betekent dat een ziekte niet volledig hoeft te zijn opgelost voordat ziekteverwekkende moleculen kunnen worden onderzocht. OTET kan ook worden gecombineerd met andere onderzoekstechnieken zoals biofluorescentie en spectroscopie.

“The sky is the limit als het gaat om de toepassingen van OTET”, zei Ndukaife, die samenwerkte met het Center for Technology Transfer and Commercialization om een ​​patent op deze technologie in te dienen. “Ik kijk er naar uit om te zien hoe andere onderzoekers de mogelijkheden ervan in hun werk benutten.”