Celice v primežu svetlobe

V galaksiji svetlobna tisočletja stran vesoljska ladja napredne civilizacije lovi sovražnikovo floto. Na ustrezni razdalji sproži laserski žarek in sovražnikova ladja je ujeta, brez moči, da bi pobegnila. Tako, če zelo poenostavimo, deluje laserska ali optična pinceta, le da se moramo pomanjšati v svet, tanjši od človeškega lasu.

Laserska pinceta je še najbližje tehnologiji, videni v znanstvenofantastičnih filmih, ko lahko s svetlobo nekaj primemo in premaknemo, se strinjata doktorja fizike Igor Poberaj in Dušan Babič, ustanovitelja enega vodilnih svetovnih podjetij za izdelavo optičnih pincet Aresis, v katerem izdelujeta raziskovalne instrumente, ki za delovanje uporabljajo omenjeno tehnologijo.

»V makrosvetu česa podobnega verjetno ne bomo mogli ustvariti, saj je sila fotonskega tlaka zelo majhna. V mikrosvetu, kjer so vse sile majhne, pa se izkaže, da je vseeno dovolj velika,« pojasni Poberaj. Kot doda, se sile svetlobe v makrosvetu, sicer na drugačen način, uporabljajo pri vesoljskem jadru, ki z dovolj veliko površino v breztežnostnem prostoru v določenem času pridobi veliko hitrost. A to je že druga zgodba, vrnimo se v svet laserjev in pincet.

Kako deluje?

Znanstveno fantastiko na mikroravni je leta 1986 v resničnost spravil lanski dobitnik Nobelove nagrade za fiziko Arthur Ashkin (nagrado si je delil z Donno Strickland in Gerardom Mouroujem). »Močno fokusiran laserski žarek v fokus, kjer je svetloba najgosteje zbrana, privlači majhne delce in jih tam tudi ujame. Lovi lahko anorganske delce, denimo steklene kroglice, ali pa organske, kot so bakterije, rdeče krvničke in organeli v celicah,« delovanje optične pincete razloži Poberaj. Vse to se dogaja na skali nekaj mikronov, kar je več desetkrat manjše od premera lasu.

V podjetju Aresis, ustanovljenem leta 2004, sta s kolegom razvila že tretjo generacijo optične pincete, ki je v primerjavi s prejšnjima kompaktnejša, manjša, stabilnejša in bolj preprosta za uporabo. Pomembno je tudi, da je sistem zasnovan tako, da je varen za oči, saj je laserski žarek lahko škodljiv. »Laser imamo v ločeni škatli z vso elektroniko, ki nadzoruje sistem. Po optičnem kablu žarek vodimo v optično enoto, kjer nam poseben element omogoča, da ga zelo natančno premikamo. Prek leč ga vodimo v mikroskop do objektiva, ki žarek močno sfokusira, in tako nastane optična pinceta,« pojasni Poberaj.

Visokotehnološka naprava s klasično pinceto, ki jo ima verjetno vsak od nas, nima razen imena in dejstva, da z obema lahko nekaj primemo, nič skupnega. »Laserska pinceta omogoča manipulacijo brez fizičnega stika in je zelo fleksibilna. Žarek lahko razdelimo na več žarkov in tako v pasti ujamemo več delcev. Navadno delamo z enim ali nekaj delci, včasih s skupkom delcev, primemo pa jih lahko tudi tisoč,« nadaljuje Babič.

Sliko pod mikroskopom nato gledamo na računalniškem zaslonu in pinceto premikamo z miško, lahko pa različne poskuse prepustimo vnaprej pripravljenemu računalniškemu programu.

Kakšne so prednosti?

Sistem je izjemno hiter, tudi ko laser razcepijo na množico žarkov, omogoča izredno natančne premike in nastavljanje intenzitete laserja, ki je lahko različna od pasti do pasti. Kot glavno prednost pa Poberaj navede brezkontaktno manipulacijo mikronskih delcev in merjenje sil, ki delujejo med njimi; prav zato so napravo hitro sprejeli raziskovalci v biologiji in fiziki.

Tako je možno z nevidnim žarkom premikati mikroskopsko velike delce:


»Pri vseh drugih metodah morajo biti naprave v fizičnem stiku z objektom manipulacije. Tu pa je objekt med dvema stekelcema v vodi ali kateri drugi tekočini. Z lasersko pinceto na primer organel v celici zgrabite skozi membrano, ne da bi jo prebodli, saj svetloba neovirano potuje skoznjo. Celica niti ne opazi, da se v njej nekaj dogaja. Ostane živa. Z mikroskopom na atomsko silo (AFM), ki se tudi uporablja za merjenje sil na mikroskopski skali, pa niti ne moremo meriti tako majhnih sil, kot jih srečamo v biotehnologiji,« razlaga Poberaj. Tako lahko s pinceto merijo, kakšna sila je potrebna, da se razvije dvojna vijačnica DNK, ali pa sile molekularnih motorjev.
Vendar doda, da tudi optična pinceta ni »zdravilo« za vse probleme, s katerimi se srečujejo raziskovalci. Če je treba pretrgati kovalentne vezi, sta primernejša AFM in mikropipeta.



Vezi ali membrane celic lahko režemo tudi s svetlobo, toda v tem primeru govorimo o laserskih škarjah, nadaljuje Babič in pojasni, da se v tem primeru uporablja ultravijolična svetloba.

Laserske pincete običajno uporabljajo infrardeči (očem nevidni) laser, čeprav bi lahko delovale tudi z vidno ali ultravijolično svetlobo, ki se zelo malo absorbira in s tem zmanjša gretje v bioloških vzorcih. Poberaj omeni pinceto z zelenim laserjem, ki jo imajo na inštitutu Jožefa Stefana; pri tej je laser viden, a ima večjo absorpcijo in je tako primeren za delo s tekočimi kristali, organske celice pa bi tak laser uničil.

Kje jih uporabljajo?

Na obisku v podjetju Aresis Igorja Poberaja in Dušana Babiča, ki sta leta 2002 sestavila prvo in nato vse nadaljnje optične pincete pri nas, smo se prepričali, da je uporaba pincete res preprosta, saj smo se lahko brez predznanja poigravali s pastmi, v katere so se ujele steklene kroglice uporabljenega vzorca. Tako ni nenavadno, da so pinceto hitro posvojili v laboratorijih, kjer proučujejo mehanske lastnosti celic, lastnosti tekočin, maščobnih ali oljnih kapljic … Njune pincete, ki stanejo več kot sto tisoč evrov, kar je za napredne raziskovalne naprave nekaj običajnega, tako med drugim uporabljajo v laboratorijih univerz in inštitutov v Evropi, ZDA, Indiji in na Kitajskem. Kot upata, pa bo Nobelova nagrada razširila glas o uporabnosti tudi v industrijo.

»Pinceta se je od leta 1986 do danes razvila v zrel instrument in se lahko uporablja brez posebnega poznavanja tehnologije in z njo povezanih detajlov. Podobno kot na primer mikroskop na atomsko silo. Je pa morda Nobelova nagrada Arthurju Ashkinu prelomen trenutek, ko lahko metoda doživi širšo prepoznavo. S pincetami bi lahko prodrli v farmacijo, živilsko in naftno industrijo, torej tja, kjer se srečujejo s koloidnimi sistemi, v katerih so majhni delci,« poudari Babič.

Za primer navede mleko, v katerem so maščobne kapljice v vodni fazi. »Pri živilih bi radi preprečili sesedanje maščobe v vodi, za kar uporabljajo veliko procesov. Z optično pinceto bi lahko neobdelane maščobne kapljice pripeljali skupaj in ugotavljali, ali se sprimejo ali celo zlijejo, kar je nezaželeno, nato bi postopek ponovili po obdelavi.«

Babič še meni, da bi bila lahko v nekaterih fazah pinceta uporabna tudi pri postopkih umetne oploditve, kjer bi lahko brez posledic za celice izbirali najbolj zdrave semenčice in jih prenesli do jajčec. Vsekakor je možnosti uporabe optične pincete še veliko, kako veliko, pa bo pokazal čas.