‘Zien’ en ‘manipuleren’ functies van levende cellen

Een onderzoeksgroep bestaande uit professor Takayuki Shibata en zijn collega’s van de afdeling Werktuigbouwkunde, Toyohashi University of Technology, heeft meer functionaliteiten gegeven aan atoomkrachtmicroscopie (AFM). Ons onderzoeksteam is erin geslaagd om minimaal invasieve chirurgie aan levende cellen toe te passen met behulp van fotokatalytische oxidatie gecontroleerd in een nanoschaalruimte en dynamische informatie over intracellulaire biomoleculen te visualiseren. Deze voorgestelde techniek voor het controleren en visualiseren van het proces van celfunctie-expressie op een hoog niveau heeft een aanzienlijk potentieel als een sterk nanofabricage- en nanomeetingssysteem om het mysterie van het leven op te lossen.

Een geïntegreerd begrip van levensverschijnselen en de beheersing daarvan zijn absoluut essentieel voor de verdere ontwikkeling van de medische en farmaceutische domeinen. Het proefschrift voor het creëren van levensinnovatie is om de structuur en functie van biomoleculen zoals genomen, eiwitten en suikerketens op te lossen en ook om de functie van cellen op te lossen, die de basiseenheid zijn voor levensactiviteit. Daarom willen we een technologie ontwikkelen voor minimaal invasieve chirurgie om levende cellen op moleculair niveau te targeten (Gods hand om de functie van cellen te manipuleren) en veranderingen in het dynamische gedrag van intracellulaire biomoleculen en de toestand van het celmembraaneiwit in één keer te visualiseren moleculair niveau (Gods oog om de functie van cellen te zien), en dus een innovatief platform voor nanofabricage en nanometing te bieden om het mysterie van het leven op te lossen.

Hier is ons onderzoeksteam erin geslaagd om twee nieuwe functies te geven aan atoomkrachtmicroscopie (AFM). De eerste vooruitgang is het bekleden van de top van een AFM-sonde met een dunne film van titaniumoxide (TiO₂) bekend als fotokatalysator. Door deze methode wordt de fotokatalytische reactie gelokaliseerd in een nanoschaalruimte (gebied van 100 nm) in de buurt van de top van de tip om minimaal invasieve celmembraanperforatie te bereiken. Dientengevolge bereikt de kans op perforatie van het celmembraan 100% en wordt ook een cellevensvatbaarheid van 100% bereikt, waardoor we kunnen verifiëren dat minimaal invasieve chirurgie kan worden uitgevoerd. De tweede vooruitgang is het inbrengen van de top van een AFM-sonde bekleed met zilveren (Ag) nanodeeltjes in een levende cel. Zo zijn we erin geslaagd een gevoelig Raman-spectrum te verkrijgen dat afkomstig is van eiwitten, DNA, lipiden, enz. (Tip-Enhanced Raman Spectroscopy, TERS). Met deze methode werd een verschil in de verhouding tussen biomoleculen tussen de celkern en het cytoplasma gevisualiseerd als informatie in een cel, en er werd vastgesteld dat er een omgekeerde correlatie is (een fenomeen dat naarmate de ene toeneemt, de andere afneemt) tussen eiwitten en glycogeen (ook wel dierlijk zetmeel genoemd) als tijdelijke veranderingen in biomoleculen in cellen.

Om tegelijkertijd nanofabricage- en nanomeetfuncties te bereiken, zullen we een tip-verbeterde Raman spectroscopische (TERS) functie instellen door het oppervlak van een TiO te coaten²-gefunctionaliseerde AFM-sonde met Ag-nanodeeltjes in de toekomst. Deze functie kan het proces van afbraakreacties van organische stoffen visualiseren op basis van fotokatalytische oxidatie (veranderingen in moleculaire structuren) tijdens het celchirurgieproces. We zullen ook streven naar het bereiken van een middel voor het meten van een enkel molecuul in een membraaneiwit van een doelcel met behulp van het hoge moleculaire herkenningsvermogen van een antigeen-antilichaamreactie, en we zullen een techniek ontwikkelen voor selectieve nanofabricage voor een enkel molecuul in het doelwit membraaneiwit geïdentificeerd door de bovenstaande middelen. Verwacht wordt dat deze voorgestelde techniek de mechanismen van levensfuncties kan oplossen en kan worden toegepast op werkzaamheden zoals de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen.