Dzieci, kosiarki, samoloty, pociągi, samochody - prawie wszystko hałasuje. A jeśli dwóch kalifornijskich naukowców ma rację, to także żywe komórki. W ostatnich eksperymentach wykorzystujących pionierską naukę nanotechnologii naukowcy znaleźli dowody, że komórki drożdży emitują jeden rodzaj piszczenia, podczas gdy komórki ssaków mogą wydzielać inny. Badania, choć wciąż wstępne, są potencjalnie „rewolucyjne”, jak to ujął jeden naukowiec, i możliwe jest, jak się zdaje, dalekie zastosowanie medyczne: pewnego dnia myślenie nasłuchuje dźwięków wydawanych przez komórki lekarz, zanim pojawią się objawy, bez względu na to, czy jesteś zdrowy, czy zaraz zachorujesz.
powiązana zawartość
- Czy nanotechnologia może ocalić życie?
Założycielem badań nad dźwiękami komórkowymi lub, jak to nazywa, „sonocytologią”, jest Jim Gimzewski, 52-letni chemik z UCLA, który przyczynił się do powstania wystawy muzealnej na temat struktury molekularnej. Pomysł dźwięków komórkowych przyszedł do niego w 2001 roku, kiedy badacz medyczny powiedział mu, że kiedy żywe komórki serca zostaną umieszczone na szalce Petriego z odpowiednimi składnikami odżywczymi, komórki będą nadal pulsować. Gimzewski zaczął się zastanawiać, czy wszystkie komórki mogą bić, a jeśli tak, czy takie drobne wibracje wytwarzają wykrywalny dźwięk. W końcu, pomyślał, dźwięk jest jedynie wynikiem siły pchającej cząsteczki, tworząc falę ciśnienia, która rozprzestrzenia się i rejestruje, gdy uderza w błonę bębenkową. Uznał również, że chociaż hałas generowany przez komórkę nie będzie słyszalny, może zostać wykryty przez szczególnie czuły instrument.
Gimzewski doskonale nadaje się do rozwiązania tego problemu, będąc zarówno ekspertem w dziedzinie oprzyrządowania - zbudował własne mikroskopy - jak i wygodnie w domu w świecie nieskończenie małego. Gimzewski, lider nanotechnologii lub nauki o manipulowaniu pojedynczymi atomami i cząsteczkami w celu budowy mikroskopijnych maszyn, pracował wcześniej w laboratorium badawczym IBM w Zurychu w Szwajcarii, gdzie wraz z kolegami zbudował wirujące śmigło molekularne o średnicy 1, 5 nanometra lub średnicy 0, 0000015 milimetra. Zbudowali również najmniejszy liczydło na świecie, który miał jako koraliki pojedyncze cząsteczki o średnicy mniejszej niż pojedynczy nanometr. Jeśli nic więcej, wyczyny, które spotkały się z dużym uznaniem, pokazały, że obfita obietnica nanotechnologii ma swoje podstawy w rzeczywistości.
Po raz pierwszy w sonocytologii Gimzewski uzyskał komórki drożdży od kolegów z biochemii na UCLA. („Wygląda”, wspomina, kiedy wyjaśnił, dlaczego chce komórek.) We współpracy z doktorantem Andrew Pellingiem Gimzewski opracował sposób testowania hałasu komórkowego za pomocą narzędzia nanotechnologicznego zwanego mikroskopem sił atomowych (AFM). Zwykle AFM tworzy wizualny obraz komórki, przepuszczając jej bardzo małą sondę, tak małą, że jej końcówka jest mikroskopijna, nad powierzchnią komórki, mierząc każdy guz i wgłębienie zewnętrznej błony. Komputer przekształca dane w obraz. Ale naukowcy z UCLA utrzymywali małą sondę AFM w ustalonej pozycji, opierając ją lekko na powierzchni błony komórkowej „jak igła rekordowa”, mówi Pelling, w celu wykrycia wibracji generujących dźwięk.
Para odkryła, że ściana komórkowa unosi się i opada o trzy nanometry (około 15 atomów węgla ułożonych jeden na drugim) i wibruje średnio 1000 razy na sekundę. Odległość, którą porusza się ściana komórki, określa amplitudę lub głośność fali dźwiękowej, a prędkość ruchu w górę i w dół to jej częstotliwość lub wysokość. Chociaż głośność dźwięku w komórce drożdży była zdecydowanie zbyt niska, aby ją usłyszeć, Gimzewski mówi, że jej częstotliwość teoretycznie mieściła się w zakresie ludzkiego słuchu. „Więc wszystko, co robimy, to zwiększanie głośności”, dodaje.
Gimzewski (trzymając model cząsteczki węgla w swoim laboratorium UCLA) używa mikroskopu sił atomowych do „słuchania” żywych komórek. (Debra DiPaolo) Częstotliwość komórek drożdży, które badali naukowcy, zawsze była w tym samym wysokim zakresie, „około C-ostry do D powyżej środkowego C pod względem muzycznym”, mówi Pelling. Posypanie alkoholem komórki drożdży, aby ją zabić, podnosi wysokość dźwięku, podczas gdy martwe komórki wydają cichy, dudniący dźwięk, który według Gimzewskiego jest prawdopodobnie wynikiem przypadkowych ruchów atomowych. Para odkryła również, że komórki drożdży z mutacjami genetycznymi wydają nieco inny dźwięk niż normalne komórki drożdży; ta wiedza budzi nadzieję, że technika ta może ostatecznie zostać zastosowana do diagnozowania chorób, takich jak rak, który, jak się uważa, ma swoje źródło w zmianach w składzie genetycznym komórek. Naukowcy rozpoczęli testowanie różnych rodzajów komórek ssaczych, w tym komórek kostnych, które mają niższy skok niż komórki drożdży. Naukowcy nie wiedzą dlaczego.
Niewielu naukowców jest świadomych prac sonocytologicznych Gimzewskiego i Pellinga, które nie zostały opublikowane w literaturze naukowej i poddane kontroli. (Naukowcy przedłożyli swoje wyniki do recenzowanego czasopisma w celu publikacji.) Wiadomość pantoflowa wywołała zarówno sceptycyzm, jak i podziw. Naukowiec obeznany z badaniami, Hermann Gaub, kierownik fizyki stosowanej na Uniwersytecie Ludwiga Maximiliana w Monachium w Niemczech, mówi, że dźwięki, które według Gimzewskiego są wibracjami komórkowymi, mogą mieć inne pochodzenie. „Gdyby źródło tej wibracji znalazło się w komórce, byłoby to rewolucyjne, spektakularne i niewiarygodnie ważne” - mówi Gaub. „Istnieje jednak wiele potencjalnych źródeł [dźwięku] poza komórką, które należy wykluczyć”. Pelling zgadza się i mówi, że on i Gimzewski przeprowadzają testy, aby wykluczyć możliwość, że inne cząsteczki w płynie kąpiącym się w komórkach, a nawet sam wierzchołek mikroskopu, generują wibracje, które podnosi ich sonda.
Ratnesh Lal, neurobiolog i biofizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, który badał pulsacje komórek serca utrzymywanych przy naczyniu, mówi, że wiedza nanotechnologiczna Gimzewskiego może być kluczem do ustalenia, czy komórki wytwarzają dźwięk. „Ostateczną nadzieją jest zastosowanie tego w diagnostyce i zapobieganiu”, mówi Lal, dodając: „Jeśli jest ktoś na świecie, kto może to zrobić, może”.
Gimzewski przyznaje, że należy wykonać więcej pracy. Tymczasem odkrycia zwróciły uwagę jego kolegi z UCLA, Michaela Teitella, patologa specjalizującego się w nowotworach limfocytów, rodzaju białych krwinek. Poddaje ludzkie i mysie komórki mięśniowe i komórki kostne lekom i chemikaliom, aby wywołać zmiany genetyczne i fizyczne; Gimzewski spróbuje wówczas „słuchać” zmienionych komórek i rozróżniać je po dźwiękach.
Teitell twierdzi, że myśl o wykryciu raka na najwcześniejszych etapach komórkowych jest ekscytująca, ale czy technologia będzie działać jako narzędzie diagnostyczne, okaże się (lub usłyszy). Nie chce przeceniać pomysłu: „Może się okazać, że wszystkie te sygnały będą tak miszmaszem, że nie będziemy w stanie jednoznacznie ich zidentyfikować”.
Gimzewski ma nadzieję, że dzieło będzie miało praktyczne zastosowanie, ale polowanie jest dla niego tak samo ważne jak połów. „Bez względu na wynik”, mówi, „kieruję się przede wszystkim ciekawością i ekscytacją zjawiskiem ruchu komórkowego - co zainspirowało naturę do stworzenia takiego mechanizmu i dogłębnego zrozumienia, co oznaczają te piękne dźwięki”. Sama możliwość, że odkrył nową cechę komórek, wraz ze wszystkimi intrygującymi pytaniami, które nasuwają, to, jak mówi, „już więcej niż wystarczający dar”.
