Thiết kế hệ thống linh hoạt cho nghiên cứu khoa học đời sống

FlexAFM đi kèm với các bàn soi thủ công và có động cơ để tích hợp liền mạch trên kính hiển vi soi ngược Zeiss, Olympus, Nikon và Leica hoặc với các bàn soi độc lập. Trên kính hiển vi soi ngược, dữ liệu quang học và AFM có thể tương quan với nhau, như thể hiện ở đây đối với màng giới hạn bên trong (ILM) của võng mạc người.

(A) Hình ảnh trường sáng của ILM được cô lập trong bộ đệm sinh lý. (B) Hình ảnh huỳnh quang của 1 phần mẫu ILM trong nhuộm anti-laminin. (C) Hình ảnh địa hình AFM của một phần ILM (hình ảnh lấy từ hình vuông nhỏ trong hình (B)). (D) Các phép đo độ cứng AFM (bản đồ độ cứng) của C. Màu của mỗi điểm biểu thị giá trị độ cứng cục bộ được tính toán từ các đường cong lực được ghi tại các vị trí tương ứng. (E) Biểu đồ của dữ liệu độ cứng được hiển thị trong D. (F) Các đường cong dịch chuyển lực điển hình thu được trên ILM và trên đế thủy tinh . Những đường cong này được chuyển đổi thành dữ liệu force-indentation, cho phép tính toán độ cứng của mẫu. Sự phân bố độ cứng của các mô sinh học đã được chứng minh là dấu hiệu của các bệnh như thoái hóa điểm vàng liên quan đến tuổi tác, viêm khớp và ung thư. Dữ liệu được cung cấp bởi: Marko Loparic, Marija Plodinec, Philip Oertle, và Paul B. Henrich, Biozentrum/SNI/UHBS, Đại học Basel, CH.

Bệ mô-đun, giá đỡ đâu dò và phần mềm cho phép dễ dàng nâng cấp hệ thống để tiếp cận nhiều khía cạnh mới trong khoa học đời sống và nghiên cứu vật liệu. Ví dụ, Flex-FPM dành cho thao tác nano và tế bào và Flex-ANA dành cho phân tích cơ học nano tự động. Ngoài ra, các chế độ nâng cao như MFM và KPFM ban đầu được phát triển cho hệ thống Flex-Axiom, cũng có sẵn cho FlexAFM. Đối với các phép đo không cần truy cập quang học từ bên dưới, ví dụ: đối với việc chụp ảnh và quang phổ của các mẫu như bacteriorhodopsin, một standalone stage làm cho FlexAFM tương thích với Nanosurf Isostage và Acoustic Enclosure 300, đồng thời thường làm cho hệ thống nhỏ gọn hơn nhiều.

(A)Một hệ thống FlexAFM với bệ đỡ đứng đơn, bệ iso và vỏ cách âm. (B) Tinh thể 2D của bacteriorhodopsin [phạm vi quét 140 nm]. (C) Phổ công suất của B, hiển thị độ phân giải bên trên 1 nm [vòng tròn nét đứt]. (D) Quang phổ lực đơn phân tử của protein bacteriorhodopsin.

Ví dụ về các ứng dụng khoa học đời sống của FlexAFM

Hình ảnh của sợi collagen loại I

Collagen là loại protein phong phú nhất ở động vật có vú và đóng góp hơn 25% hàm lượng protein toàn cơ thể. Nó là protein cấu trúc chính trong ma trận ngoại bào của các mô liên kết, nó góp phần cung cấp độ bền cho gân và xương. Hầu hết collagen được tìm thấy ở động vật có vú là collagen loại I dạng sợi. Các sợi collagen loại I có hình thái periodic điển hình, được gọi là D-banding. D-banding là kết quả của quá trình tự lắp ráp so le của các phân tử collagen riêng lẻ thành các sợi lớn hơn với periodicity khoảng 67 nm.

Hình ảnh các sợi collagen từ gân chuột được thực hiện trong nhóm nghiên cứu của Giáo sư Snedeker tại ETH Zürich. Một trong những lĩnh vực nghiên cứu của GS Snedeker là nhà nghiên cứu cơ học và sinh học về gân.

3D AFM topography of several type I collagen fibrils

 

AFM topography image of type I collagen fibrils

 

AFM deflection image recorded along with the topography image

 

Hình ảnh biểu diễn 3D của ảnh địa hình AFM thể hiện độc đáo D-banding điển hình của collagen loại I trên tất cả các sợi nhỏ. Địa hình colloagen được ghi lại ở chế độ tĩnh bằng cách sử dụng công cụ đúc hẫng PPP-XYCONTR của Nanosensors. Hình ảnh AFM được xử lý bằng Nanosurf Report Software. Hình ảnh các sợi collagen được thực hiện bởi Massimo Bagnani, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Snedeker, Uniklinik Balgrist, Viện Cơ sinh học, ETH Zürich, Thụy Sĩ.

Các phép đo trên tế bào sống

Cơ sinh học là một lĩnh vực nghiên cứu mới nổi liên quan đến tác động của việc thay đổi lực vật lý hoặc thay đổi tính chất cơ học của tế bào và mô. Một số bệnh, chẳng hạn như xơ hóa và xơ vữa động mạch có liên quan đến những thay đổi về độ cứng của mô. Hơn nữa, trong bệnh ung thư, khả năng di căn của tế bào ung thư phụ thuộc vào modulus đàn hồi của tế bào.

Ở đây, modulus đàn hồi của các tế bào sống từ dòng tế bào biểu mô đáy vú của người được đo bằng hệ thống Nanosurf FlexAFM với Flex-ANA software.

Elastic modulus map

 

Unperturbed cell topography from force mapping

Hình ảnh đầu tiên minh họa modulus đàn hồi (tính bằng kPa) được ghi lại trên các tế bào biểu mô vú sống trong môi trường nuôi cấy tế bào. Sự khác biệt rõ ràng về modulus đàn hồi trong tế bào được quan sát. Vùng tối xung quanh các tế bào bắt nguồn từ chất nền của đĩa nuôi cấy tế bào cứng hơn nhiều.

Hình ảnh thứ hai cho thấy địa hình tế bào (Topography) không bị xáo trộn được trích xuất từ ​​dữ liệu ánh xạ lực. Topography được xác định từ điểm tiếp xúc của mỗi đường cong lực và do đó hiển thị địa hình tế bào ở lực tác dụng bằng không.

Ánh xạ dữ liệu modulus đàn hồi sang địa hình 3D cho phép liên kết thông tin của cả hai kênh. Hình ảnh 3D được tạo bằng phần mềm Gwyddion.

Ánh xạ dữ liệu modulus đàn hồi sang địa hình 3D cho phép liên kết thông tin của cả hai kênh. Hình ảnh 3D được tạo bằng phần mềm Gwyddion.

Hình ảnh cuối cùng cho thấy sự phân bố của modulus đàn hồi được trích ra từ các thí nghiệm ánh xạ lực cơ học nano. Đỉnh thấp hơn ở các modulus sẽ tương ứng với độ cứng của các tế bào. Đỉnh ở bên phải bắt nguồn từ chất nền nuôi cấy tế bào và cho thấy các modulus đàn hồi cao hơn nhiều.

Dữ liệu AFM được cung cấp bởi Philipp Oertle, Biozentrum, Đại học Basel.

Quang phổ lực đơn phân tử của protein bacteriorhodopsin

Đường cong force-distance bên dưới hiển thị vùng được kiểm soát C-terminal unfolding của một protein màng bacteriorhodopsin (BR) đơn lẻ từ môi trường tự nhiên của nó, màng màu tím từ Halobacterium salinarium.

Các đường màu cam liền và nét đứt biểu thị tương ứng với các đường cong WLC với các đỉnh mở ra chính và phụ được quan sát thấy khi mở BR. Độ dài đường viền của polypeptit kéo dài của các đỉnh không gấp nếp được tính bằng axit amin (aa).

Quang phổ lực đơn phân tử của bacteriorhodopsin

Dữ liệu này được ghi lại bằng cách sử dụng đầu quét FlexAFM (10-µm; phiên bản 3) kết hợp với bộ điều khiển C3000 và một công cụ đúc hẫng có hằng số lò xo danh 0,1 N/m (Uniqprobe, qp-CONT, Cảm biến nano).