ساخت دستگاهی برای شنیدن صدای فعالیت های سلولی

 پژوهشگران توانسته‌اند فیبر نوری در مقیاس نانو توسعه دهند که قادر خواهد بود کوچک‌ترین تغییرات سطح انرژی اطراف خود را ثبت کند. با استفاده از این فیبر نوری می‌توان تلاطم ایجاد شده از حرکت یک باکتری یا امواج صوتی حاصل از ضربان سلول‌های قلبی را رصد کرد. این اتفاق به خصوص در پایش فعالیت‌های سلولی اهمیت زیادی دارد؛ می‌توان فعالیت سلول‌ها را زیر نظر گرفت تا حرکت آن‌ها به سمت سلول‌های سرطانی را شناسایی کرد. دونالد سربالی، یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی از دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو می‌گوید:

خروجی تحقیق ما مسیر تازه‌ای را برای پایش رفتارهای سلولی باز می‌کند.

پیشرفت‌های موجود در فناوری‌های میکروسکوپیک، امکان مشاهده‌ی کوچک‌ترین اتفاقات در دنیای فیزیکی ما را فراهم کرده است. با این حال تنها مشاهده‌ی صِرف نمی‌تواند اطلاعات مفیدی از دنیای اطراف ما دهد؛ باید فعالیت ریز‌ترین اجزای سازنده‌ی دنیای اطرافمان را پایش کنیم.

در حال حاضر به کمک میکروسکوپ‌های نیروی اتمی (AFM) می‌توان جزیی‌ترین تغییرات در سطوح انرژی را مشاهده کرد. با این حال به دلیل ویژگی‌های خاص این میکروسکوپ و داشتن بازه‌ی بزرگنمایی محدود، نمی‌توان از آن به صورت گسترده در سیستم‌های زنده به کار برد.

برای اندازه‌گیری فعالیت‌های بیولوژیکی در سطح رگ‌های خونی نیازمند رویکردی جدید خواهیم بود. پژوهشگران آمریکایی با چنین هدفی و با استفاده از دی‌اکسید قلع موفق به تولید نانو فیبر نوری شدند که صد بار نازک‌تر از موی انسان است.

استفاده از این فیبر راحت به نظر می‌رسد؛ اعضای تیم نانوذرات طلا را داخل فیبر و در پوششی از پلیمر به شکل سیم درآورده‌اند. در نهایت پژوهشگران این فیبر را در محلولی از سلول‌های زنده و باکتری قرار دادند تا فعالیت‌های آن‌ها را رصد کنند. بدین ترتیب، نور داخل فیبر پر شده از نانوذرات طلا تابیده می‌شود. تغییر در سطح انرژی یا تولید صوت توسط فعالیت‌های بیولوژیکی و سلول‌ها به بدنه پلیمیری فشار می‌آورد که متعاقبا تغییر در آرایش نانوذرات داخل فیبر را در پی دارد. این اتفاق باعث می‌شود که شدت نور داخل فیبر تغییر کند و بتوان میزان آن را محاسبه کرد. با استفاده از این روش می‌توان کوچک‌ترین حرکات سلول‌های قلبی یا حرکت تاژک‌های باکتری‌ها را پایید. سربالی اضافه می‌کند:

با استفاده از این روش نه تنها می‌توان کوچک‌ترین تحرکات سلولی را رصد کرد؛ بلکه می‌توان این تغییرات را به صورت عددی نیز محاسبه کرد. ما موفق به ساخت ابزاری جدید برای کاوش‌های نانومکانیکی با کیفیت بالا شده‌ایم.

این روش همراه با کالیبراسیون تا ۱۰ برابر حساس‌تر از روش AFM به حساب می‌آید. استفاده از فیبر نوری ساخته شده می‌تواند نیرو‌هایی کمتر از ۱۶۰ فمتو-نیوتن (femto-Newton) و صداهایی کمتر از منفی ۳۰ دسی‌بل، هزار برابر کمتر از صوت قابل تشخیص گوش انسان را محاسبه کند.

برای درک میزان حساسیت این دستگاه جدید، متوسط نیروی وارد شده بر زمین در لحظه‌ی سقوط سیب برابر با یک نیوتن است. صد فمتو-نیوتن ده تریلیوم نیروی وارد شده توسط سیب به حساب می‌آید. می‌توان گفت که یک سیب را به ده تریلیون قطعه تقسیم کرد و نیروی وارد شده بر زمین لحظه‌ی سقوط را محاسبه کنیم.

با تعویض پوشش پلیمری فیبر اکسید قلع می‌توان بازه‌های متفاوتی از نیرو و صوت تولید شده را محاسبه کرد. برای محاسبه‌ی نیروی‌های بزرگ‌تر می‌توان از پلیمر‌های سخت‌تر و برای محاسبه‌ی نیرو‌های کوچک‌تر می‌توان از پلیمر‌های نرم‌تری چون هیدرو‌ژل‌ها استفاده کرد.

مرحله‌ی بعدی تحقیقات شامل استفاده از نانوفیبر‌ها برای اندازه‌گیری دقیق‌تر فعالیت‌های بیولوژیکی و رفتارهای مکانیکی تک سلول‌ها، افزایش قابلیت‌های دستگاه برای شنیدن فعالیت‌های سلولی و ساخت گوشی‌های پزشکی با حساسیت بسیار بالا می‌شود. نتایج این پژوهش علمی در نشریه‌ی Nature Photonics به چاپ رسیده است.