Da li je moguće da u većini merenja u oblasti nauka o životu važne interakcije ostaju skrivene unutar ćelije ili na površini ćelije? Ovo pitanje godinama zbunjuje tim laserskog i biofizičara prof. dr Aleksandra Rorbaha sa Univerziteta u Frajburgu. On i njegov kolega dr Feliks Junger su istraživali različite interakcije čestica u rasponu veličina bakterija, odnosno nekoliko mikrometara, pa čak i virusa, oko 0,1 mikrometar, na različitim površinama ćelija.
Uz pomoć prefinjene tehnologije laserskog merenja i metoda matematičke analize, sada su uspeli da učine vidljivim ranije skrivene interakcije. Rezultati su objavljeni u časopisu Small. U budućnosti, oni mogu pomoći da se bolje razume kako se različite čestice vezuju za ćelije — bilo da se radi o virusima, bakterijama, finoj prašini, ćelijskim ostacima ili aktivnim sastojcima obloženim micelama.
Viskoelastična svojstva ćelijskih površina ovde igraju odlučujuću ulogu. Rorbah kao primer navodi rastvor skroba. „Ako umešate dovoljnu količinu kukuruznog skroba u kadu sa vodom i brzo hodate po njoj, zapravo možete hodati po tečnosti. Sve što osećate je elastična površina. Ali ako hodate polako ili zastanete, potonućete i osetite tečnost oko nogu.“ Dakle, u zavisnosti od vremenske skale delovanja, rešenje je ili elastično ili viskozno. Gledalac vidi ili osobu sa suvim ili mokrim stopalima kako izlazi iz kade.
Biološke ćelije se sastoje od sitnih molekularnih struktura, koje su vidljive samo pod najboljim mikroskopima. Svi oni reaguju na pritisak ili napetost delom elastično (energija se skladišti), a delom viskozno (energija se gubi). Svaka pojedinačna ćelija je viskoelastičan sistem i time određuje viskoelastična svojstva, na primer mišića ili vezivnog tkiva.
Skoro svaka ćelija ima svoj visoko specijalizovan ekstracelularni matriks: mrežu molekula nalik filamentima, finih vlakana i tankih izbočina nalik prstima. Ova složena ćelijska površina utiče na uzimanje čestica kao što su virusi, bakterije ili čestice. „Tokom transdukcije signala ekstracelularni matriks razlikuje ne samo prema veličini i obliku i površini čestica, već i koliko brzo ili sporo termički difuzne čestice dolaze u kontakt sa površinom, tj. deluje kao prostorno i vremensko sito za mehaničke signale“, Rorbah objašnjava.
Koristeći takozvani mikroskop fotonske sile, kombinaciju optičke laserske pincete i interferometrijskog sistema za detekciju od 4 kvadranta, biofizičar Junger je prvi približio perle od jednog mikrometra živim ćelijama u brojnim eksperimentima. Čestica, koja služi kao sonda, zarobljena je u laserskom fokusu, ali i dalje pravi male drhtave pokrete, poznate kao termičke fluktuacije položaja.
Ovi pokreti se mere trodimenzionalno milion puta u sekundi—i sa preciznošću od nekoliko nanometara. Međutim, signali položaja čestice koji izgledaju bučno sadrže ključne informacije o interakciji sa okolinom.
Ako se čestica sada polako dovede do površine ćelije optičkom pincetom ili ako se čestica prikaže ćeliji na kratkoj, konstantnoj udaljenosti, interakcija čestice sa finim strukturama ekstracelularnog matriksa počinje nakon nekoliko sekundi. Ako pogledate histogram položaja, koji je distribucija svih pozicija čestica, nećete primetiti praktično nikakvu razliku u raspodeli pre i posle interakcije. Interakcija je skrivena.
„Brzo uzorkovanje signala nam je omogućilo da po prvi put izvedemo Kramers-Kronigove integralne transformacije za termičke fluktuacije čestica, što nam omogućava da vizualizujemo elastično i viskozno ponašanje ćelijskih struktura na različitim frekvencijama kretanja“, objašnjava Junger.
Rorbah dodaje: „Međutim, da biste dali značenje ovim dvema frekventnim odzivima, morate svoju ideju o tome šta se dešava na molekularnom nivou upakovati u matematičke jednačine, a zatim uporediti koliko dobro rešenja ovih jednačina odgovaraju eksperimentalnim rezultatima.
Istraživači iz Frajburga su tako osmislili matematički minimalni model u frekvencijskom domenu, koji se neočekivano može dobro prilagoditi viskoelastičnom ponašanju u različitim metodama merenja na različitim ćelijama. Analizom fluktuacija sonde, Junger i Rorbah su uspeli da odrede, na primer, važna svojstva pericelularnog matriksa (PCM) u epitelnim ćelijama creva, koji se sastoji od lanaca hijaluronske kiseline nalik mrežici.
„Uspeli smo da izmerimo debljinu PCM-a od 350 nanometara samo na mikrosekundnoj skali; na dužim vremenskim skalama, PCM je bio jednostavno nevidljiv“, kaže Rorbah. Elastičnost PCM-a od samo oko šest paskala u dinamici milisekundi, ali od oko 20 paskala u mikrosekundnoj dinamici, mogla bi da objasni, na primer, zašto mali i visoko dinamični virusi imaju tendenciju da se elastičnije odbijaju od PCM-a sa fizičke tačke gledišta, dok su veći a manje dinamične bakterije imaju tendenciju da potone u PCM, upravo zato što je manje elastičan na većim vremenskim skalama.
