纳米球测量细胞马达的力量

运动蛋白为我们体内的基本机械过程产生力量。例如，在纳米尺度上——百万分之一毫米——运动蛋白为我们的肌肉提供动力或在我们的细胞内运输物质。这种肉眼不可见的运动可以被 Erik Schäffer 看到：图宾根大学细胞纳米科学教授开发了特殊的力显微镜，即所谓的光学镊子，以测量这些分子机器的机械工作方式。他在植物分子生物学中心的团队现在改进了这项技术。特殊探针锗纳米球能够更高分辨率地分析电机产生的位移和力。结果发表在《科学》杂志上.

所研究的运动蛋白的大小仅为 60 纳米，确实很小，但对细胞过程至关重要。除其他外，它们有助于在细胞分裂过程中机械地拉开染色体，或者它们在细胞内运输小的“包裹”，即所谓的囊泡。功能失调的马达，例如在神经细胞中，可能会导致神经系统疾病，例如阿尔茨海默氏症。

为了解开运动蛋白的工作原理，生物物理学家 Erik Schäffer 开发了超精密光镊。它们基于天文学家约翰内斯·开普勒 (Johannes Kepler) 在 1609 年发现的原理。物理学家亚瑟·阿什金 (Arthur Ashkin) 凭借他们的发明获得了 2018 年的诺贝尔奖。光学镊子利用激光的辐射压力以非接触方式将微小粒子固定在适当的位置。使用这个工具，Schäffer 几年前已经能够证明运动蛋白驱动蛋白在行走时旋转：用两只“脚”，每次转半圈需要 8 个纳米大步 - 几乎就像在表演维也纳华尔兹.

Schäffer 博士 学生 Swathi Sudhakar 现在进一步完善了光镊技术。使用锗纳米球，更小和更高分辨率的探针，仍然可以抵消生物马达难以想象的微小的五皮牛顿力。这意味着研究人员现在甚至可以测量迄今为止隐藏在小粒子固有的急促热运动风暴中的最小和最快的运动。

借助新技术，研究人员可以实时跟踪驱动蛋白，而 Sudhakar 检测到其运动的另一个中间步骤，使华尔兹舞几乎完美无缺。“这个中间步骤是否存在在科学家之间争论了 20 年，”Schäffer 说。“我们第一次能够使用光镊直接测量这一点。” 此外，纳米球揭示了电机以前未知的滑动机制。“这是一种安全皮带，可在负载过高时使电机保持正常运转，”Schäffer 说。这种机制解释了细胞中囊泡运输的高效率，他补充道。“如果我们详细了解驱动蛋白电机的工作原理，我们还可以更好地了解电机驱动的重要细胞过程，以及可能导致疾病的故障。”

Schäffer 将这项新技术与分子机器的“深入了解”进行了比较。他说，现在，研究人员不仅可以精确观察分子机器的个体运动;例如，他们还可以更好地了解蛋白质如何折叠成正确的结构。“作为半导体，纳米球具有额外的令人兴奋的光学和电学特性。因此，它们可用于纳米科学和材料科学的其他领域，例如，用于更好的锂离子电池，”Schäffer 说。

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