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  • Diminutas pinzas biomoleculares que estudian el efecto de fuerza de las células

    Este es un diseño conceptual de pinzas MAP-nDEP. a) Esquema de la disposición del chip:las almohadillas de níquel magnéticas circulares (azul) estaban flanqueadas por electrodos de oro interdigitados (rojo). b) Se introdujeron perlas paramagnéticas en la superficie del chip mediante microfluidos y se cargaron en las almohadillas magnéticas mediante manipulación magnética. facilitando la formación de ataduras de superficie de perlas a través de interacciones anticuerpo-antígeno. c) Interacciones probadas mediante la aplicación de suficiente fuerza nDEP para desplazar perlas unidas no específicamente, pero no cuentas unidas específicamente. d) Proceso de microfabricación. Crédito: Tecnología diario

    Un nuevo tipo de pinzas biomoleculares podría ayudar a los investigadores a estudiar cómo las fuerzas mecánicas afectan la actividad bioquímica de células y proteínas. Los dispositivos, demasiado pequeños para verlos sin un microscopio, utilizan fuerzas magnéticas y electroforéticas opuestas para estirar con precisión las células y moléculas. manteniéndolos en posición para que se pueda estudiar la actividad de los receptores y otra actividad bioquímica. Las matrices de pinzas podrían combinarse para estudiar múltiples moléculas y células simultáneamente, proporcionando una capacidad de alto rendimiento para evaluar los efectos de las fuerzas mecánicas a gran escala. Detalles de los dispositivos, que fueron desarrollados por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad Emory en Atlanta, fueron publicados el 19 de febrero, 2014, en el diario Tecnología .

    "Nuestro laboratorio ha estado muy interesado en los interruptores mecánico-químicos en la matriz extracelular, pero actualmente tenemos dificultades para interrogar estos mecanismos y descubrir cómo funcionan in vivo, "dijo Thomas Barker, profesor asociado en Wallace H. Coulter, Departamento de Ingeniería Biomédica de Georgia Tech y Emory University. "Este dispositivo podría ayudar a los biólogos e ingenieros biomédicos a responder preguntas que no se pueden responder en este momento". Por ejemplo, una célula que se une a la matriz extracelular puede unirse con un receptor mientras se estira la matriz, y un receptor diferente cuando no está bajo estrés. Esas diferencias de unión podrían impulsar cambios en el fenotipo celular y afectar procesos como la diferenciación celular. Pero ahora son difíciles de estudiar.

    "Tener un dispositivo como este nos permitirá interrogar cuáles son los sitios de unión específicos y cuáles son los desencadenantes de unión específicos, "Explicó Barker." Ahora mismo, sabemos muy poco sobre esta área en lo que respecta a la bioquímica de proteínas. "Los científicos han podido estudiar cómo las células o proteínas individuales se ven afectadas por fuerzas mecánicas, pero su actividad puede variar considerablemente de una célula a otra y entre moléculas. Las nuevas pinzas, que se construyen utilizando nanolitografía, puede facilitar el estudio de miles o más células y proteínas en conjunto. Los investigadores están probando actualmente matrices prototipo de 15 por 15 que creen que podrían ampliarse.

    "Para mi, no es suficiente tirar y retener una sola proteína, ", dijo Barker." Tengo que tirar y mantener decenas de miles de proteínas para utilizar realmente las tecnologías que tenemos para desarrollar sondas moleculares ".

    En el centro de las pinzas hay microperlas de poliestireno de 2,8 micrones que contienen nanopartículas superparamagnéticas. Las diminutas perlas están diseñadas para adherirse a una muestra en estudio. Esa muestra está unida a una cuenta en un lado, ya una almohadilla magnética en el otro. El imán atrae la cuenta hacia él, mientras que una fuerza electroforética creada por la corriente que fluye a través de un patrón de cableado dorado empuja la cuenta. "El dispositivo empuja y tira simultáneamente de la misma partícula, "Esto nos permite sostener la muestra en una posición muy específica por encima del imán", explicó Barker. "Debido a que las fuerzas se pueden variar, las pinzas se pueden utilizar para estudiar estructuras de escalas de tamaño muy diferentes, de moléculas de proteínas a células, una diferencia de tamaño de aproximadamente mil veces, señaló Wilbur Lam, profesor asistente en el Departamento de Coulter. Las fuerzas absolutas en el rango de nano-Newton aplicadas por las dos fuentes superan los efectos mucho más pequeños del movimiento browniano y la energía térmica, permitiendo que las pinzas sujeten las células o moléculas sin un ajuste constante.

    "Básicamente estamos aprovechando la tecnología de microchip que ha sido desarrollada por ingenieros eléctricos y mecánicos, "Lam señaló." Podemos aprovechar estas características muy pequeñas que nos permiten crear un campo eléctrico muy nítido en un extremo contra un campo magnético corto opuesto. Porque hay dos formas de controlarlo, tenemos una resolución ajustada y podemos llegar a muchas escalas diferentes ".

    Como prueba de principio del sistema, los investigadores demostraron su capacidad para distinguir entre la unión de antígenos a perlas magnéticas cargadas recubiertas con diferentes anticuerpos. Cuando se aplica una fuerza suficiente hacia arriba, perlas recubiertas de anticuerpos no específicos se desplazan de la superficie del dispositivo recubierto de antígeno, mientras que las perlas recubiertas con el anticuerpo específico son atraídas más fuertemente a la superficie y retenidas en ella.

    Barker y Lam comenzaron a trabajar juntos en las pinzas hace tres años cuando se dieron cuenta de que tenían intereses similares en estudiar los efectos de la acción mecánica en diferentes sistemas biológicos. "No debería sorprendernos que la biología pueda ser dictada por parámetros físicos, "Lam explicó." Todo tiene que obedecer las leyes de la física, y la mecánica llega al corazón de eso ". El interés de Lam está en la escala celular, específicamente en las células sanguíneas.

    "Las células sanguíneas también responden de manera diferente, biológicamente, cuando los aprietas y cuando los estiras, ", dijo." Por ejemplo, hemos aprendido que la mecánica tiene mucho que ver con la aterosclerosis, pero los sistemas que tenemos actualmente para estudiar este mecanismo solo pueden mirar eventos unicelulares. Si puede ver muchas celdas a la vez, obtienes una visión estadística mucho mejor de lo que está sucediendo ".

    "Estamos interesados ​​principalmente en desarrollar anticuerpos que sean capaces de distinguir diferentes conformaciones de proteínas medicadas por la fuerza, ", explicó." Tenemos una proteína específica que nos interesa, pero esta técnica podría aplicarse a cualquier proteína que se sospeche tenga estos cambios activados por la fuerza en su actividad bioquímica ". Mientras que las pinzas resuelven las necesidades experimentales específicas de Lam y Barker, los investigadores esperan encontrar otras aplicaciones. Las pinzas se desarrollaron en colaboración con la estudiante de posgrado Lizhi Cao y el becario postdoctoral Zhengchun Peng. "Debido a la escala que podemos examinar, tanto molecular como celular, creo que esto tendrá muchas aplicaciones tanto en la ingeniería molecular de proteínas como en la biotecnología, ", Dijo Lam." Esta podría ser una forma útil para que las personas examinen moléculas relevantes porque actualmente no hay buenas formas de hacerlo ". Más allá de los sistemas biológicos, el dispositivo podría utilizarse en el desarrollo de materiales, microelectrónica e incluso detección. "Esta capacidad para detectar eventos de unión y desvinculación discretos entre especies moleculares es de gran interés en este momento, "Añadió Barker." Las aplicaciones de biosensores surgen de esto de forma natural ".


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