Projekti / Programi
Študij sil znotraj celic s pomočjo deformacij fotonskih kapljic
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P250 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: struktura, termične in mehanske lastnosti, kristalografija, fazno ravnovesje |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
laserji, mikroresonatorji, biofotonika, biomehanika, elastičnost
Raziskovalci (10)
Organizacije (2)
Povzetek
Sile v živih organizmih imajo ključno vlogo pri različnih fizioloških, razvojnih in patoloških procesih. Sile znotraj celice omogočajo na primer mitozo, sile med celicami pa vplivajo na celične funkcije kot so rast, diferenciacija, adhezija in migracija celic. Trenutno obstaja nekaj metod za merjenje sil s katerimi celice delujejo na okolico, zelo malo pa je načinov za merjenje sil znotraj celice. Najširše uporabljeno metodo predstavljajo senzorji molekulskih napetosti na podlagi Forsterjevega resonančnega prenosa energije (FRET), ki je močno orodje, vendar ima precej opazne pomanjkljivosti, na primer občutljivost na okoljske dejavnike -vključno s pH, koncentracijo ionov ali temperaturo- fotostabilnost, nizek dinamični razpon in težko kalibracijo. Te omejitve onemogočajo direktno pretvorbo signala v absolutne sile v metodi FRET. Poleg tega lahko z njimi določimo le velikosti sil, ne pa njihove smeri. Torej kljub napredku v tehnikah za merjenje celičnih sil so sile v biologiji celice še vedno slabo razumljene in to v velikem delu ravno zaradi omejitev v trenutnih načinih merjenja. Zato so potrebne nove, boljše metode. Vodja tega ARRS projekta je skupaj s kolegi iz Univerze v Harvardu kot prvi vgradil laser v živo celico (vodja projekta je prvi avtor, Humar et al., Nature Photonics 2015), kar je izjemna prednost vodje projekta in poudarja vrhunsko naravo tega predlaganega projekta. Optični mikroresonatorji in laserji so odlični kandidati za ultra-natančne meritve, kot so potrebne za raziskovanje notranjosti celic, saj so izjemno občutljivi na spremembe njihovih optičnih lastnosti, velikosti in oblike. Laserji so zaradi ozke pasovne širine emisije, visoke koherentnosti, velike intenzitete in zelo nelinearne emisije edinstveni v primerjavi z biološkimi orodji na osnovi fluorescence. Cilj tega projekta je razvoj povsem nove metode za ultra natančno merjenje znotrajceličnih sil na osnovi whispering gallery mode (WGM) laserjev narejenih iz kapljic olja in vgrajenih v celice in tkiva, ter nato uporaba nove metode za napredne študije izbranih znotrajceličnih mehanskih procesov. Ko se kapljični laser znotraj celice zaradi različnih celičnih procesov deformira to spremeni njegovo emisijo, kar omogoča merjenje lokalnih sil in deformacij. Predlagana metoda ima v primerjavi z obstoječimi tehnikami mnoge prednosti, kot so velika občutljivost, detekcija smeri sile, velik dinamičen razpon (0.5 – 250 nN), direktno merjenje sil in neodvisnost od zunanjih parametrov. Najprej bomo razvili metodo laserske kapljične spektroskopije za merjenje sil v umetnem okolju, ki bo posnemal mehanske lastnosti celice. Razvito metodo bomo aplicirali najprej na posamezne žive celice in spremljali sile med naravnimi procesi, kot so rast celic, celično migracijo in celično delitvijo. Pri interpretaciji rezultatov si bomo pomagali z razvojem mehanskih modelov celice, ki bodo upoštevali interakcijo celice kot viskoelestičnega objekta z vstavljenimi kapljičnimi laserji. Na koncu bomo uporabili tako eksperimentalne meritve kakor tudi numerične simulacije na realističnih bioloških sistemih pod različnimi zunanjimi pogoji in v dvodimenzionalnih tkivih. Ta projekt bo spremenil celične laserje v močno analitsko orodje, ki bo omogočalo natančno in kvantitativno spremljanje mehanskih procesov v celicah, kar bo omogočilo študije biofizikalnih in biokemičnih procesov na ravni posameznih celic. Širše gledano bo boljše razumevanje specifičnih procesov v celicah vodilo v nova dognanja in uporabo v bioznanostih in medicini, s čemer bo projekt pripomogel k družbeno-ekonomskem dobrobitu, v smislu boljšega razumevanja naravnih procesov v človeškem telesu in povezanih bolezni.
Pomen za razvoj znanosti
Projekt predstavlja direkten prispevek k razvoju najsodobnejših bioznanosti, z interdisciplinarno prepletenostjo biofizike, fotonike in senzorjev. Vbrizgane oljne kapljice omogočajo zaznavo sil z izredno natančnostjo na nemolekularnem nivoju, kar je ključnega pomena za razumevanje mehanike celic. S stališča senzorjev predlagana metoda omogoča merjenje sil na področju 0.5 – 250 nN, kar je več kot tipično področje molekularnih senzorjev sil (1 – 50 pN). Široko mersko območje dopolnimo še s številnimi drugimi prednostmi, vključno s precej večjim dinamičnim obsegom, neobčutljivostjo na različne kemične faktorje in bledenje barvila, neobveznost referenčne kalibracije ter zmožnost hkratnega merjenja velikosti in smeri sil. Poleg tega meritev preko večjega področja znotraj celice da informacijo o silah na skali citoskeletona kot celote, kar je pomembno z vidika razvoja celičnih modelov. Predlagana metoda je uporabna tudi za merjenje v živih tkivih, saj smo zmožni laserski način zaznati tudi skozi sipajoča tkiva. Zmožnost merjenja velikosti kapljic, njihove oblike in površinske napetosti, bi lahko uporabili na praktično vsakem sistemu, ki vključuje kapljice. Nenazadnje bi lahko vstavljanje kapljic znotraj celic omogočilo različne aplikacije, med drugim generacijo umetnih adipocitov v celicah, kar pa ni več tema tega projekta. Znotraj celične kapljice bi prav tako lahko omogočile boljše razumevanje številnih drugih bioloških procesov, ne le merjenja sil. Če omenimo le nekatere: zaznavanje kemijske zgradbe, temperature in drugih fizikalnih parametrov. Projekt bo med drugim tudi omogočal študentom različnih stopenj vključevanje v znanstveno delo na vrhunskem nivoju in služil kot pomemben prispevek h kvaliteti njihovega izobraževanja. Delno ta projekt predstavlja prenos znanja z Univerze v Harvardu na dve najvišji znanstveni ustanovi v Sloveniji in predstavlja možnost delovanja in razvoja te nove in zanimive smeri, v prihodnosti mogoče celo raziskovalnega področja tudi v Sloveniji.
Pomen za razvoj Slovenije
This project is a direct contribution to the cutting edge of modern biosciences, with clear impact on the interdisciplinary interplay between biophysics, photonics, and sensors. The injected oil droplets will enable unprecedented sensitivity in measurement of intracellular forces on a non-molecular level which is of fundamental importance for understanding cell mechanics. As sensors, our proposed method will yield cutting edge measurement range (0.5 – 250 nN), beyond the typical measurement range of 1 – 50 pN of molecular force sensors. The broad measurement range will be complemented by multiple other highly relevant advantages, including much larger dynamic range, insensitivity to chemical factors and photobleaching, not requiring calibration or reference image and finally, the direct ability to jointly measure force magnitude as well as force direction. Furthermore, the developed measurements over larger surface area within the cell will also give information about the forces at the scale of the cytoskeleton as a whole, relevant for the development and understanding of the formidable challenge of the cell model. Ultimately, our proposed method could also be used in vivo, since the lasing can be detected through scattering tissue. The ability to measure droplet size, shape and surface tension could be applied to almost any system involving droplets. Indeed, beyond this project, embedding droplets in cells may enable an array of different other applications such as generation of artificial adipocytes in the cells. The intracellular droplets developed here could also enable better understanding of several other biological processes not only force. Namely, the detection of chemical species, temperature, electric potential and other physical parameters. As non-scientific impact, the project will involve students of various levels to get involved into a top-level scientific works, contributing to the quality of their education. Also partially, this work is a transfer of knowledge started at Harvard University to two top-level Slovenian scientific institutions, allowing for opening of a highly novel and interesting research direction –in future possibly, a field– in Slovenia.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
