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Fibre ottiche per sentire il suono delle cellule
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È cento volte più sottile di un capello umano, ma può percepire forze infinitesime come quelle generate dai batteri mentre nuotano e addirittura sentire suoni a un livello mille volte inferiore al limite del nostro udito, come il battito di una singola cellula cardiaca. Cos’è? È il dispositivo a fibra ottica realizzato nei laboratori di nanotecnologia della Univeristy of California – San Diego, con la sua Jacobs School of Engineering. I suoi creatori raccontano sulle pagine di Nature Photonics che il minidispositivo servirà a registrare tutte le piccole interazioni e i cambiamenti nei sistemi biologici che finora non si era in grado di monitorare, dalla presenza di un singolo batterio alle modificazioni dell’attività cellulare che potrebbero suggerire, per esempio, un‘evoluzione in cellula cancerosa.

Il dispositivo
Si tratta di una fibra ottica di dimensioni nanoscopiche costituita da biossido di stagno e rivestita da un polimero – il glicolato di polietilene – su cui si trovano minuscole particelle d’oro. Se immerso in una soluzione in cui sono presenti delle cellule vive, questo dispositivo è in grado di percepire le forze generate dai batteri – in particolare Helicobacter pylori, una specie tipica del nostro intestino – che si spostano fino a un limite di 160 femtonewton. Se invece dei batteri ci sono cellule cardiache in coltura la fibra può registrare il loro battito fino ai -30 decibel. Caratteristiche che la rendono 10 volte più sensibile del microscopio a forza atomica (Afm) che finora era stato lo strumento più sofisticato a disposizione dei ricercatori. Ulteriore vantaggio della fibra ottica sono le dimensioni – poche centinaia di nanometri – che, a detta di Donald Sirbuly, che ha condotto lo studio – rendono questo dispositivo “un mini Afm con la sensibilità di una pinzetta ottica”.

(Credit: Rhett S. Miller/UC Regents)
(Credit: Rhett S. Miller/UC Regents)

Come funziona
Una volta immersa la fibra nella soluzione contenente le cellule, i ricercatori fanno passare lungo il dispositivo un fascio di luce. La luce interagisce con le particelle d’oro che ricoprono la fibra e i segnali che ne derivano vengono captati con un semplice microscopio. La chiave di tutto è l’intensità dei segnali luminosi, che varia per via delle interferenze provocate dalle forze o dalle vibrazioni generate dalle cellule.

In pratica le forze si propagano nella soluzione e colpiscono la fibra ottica spingendo le particelle d’oro poste sulla sua superficie all’interno dello strato di polimero sottostante: le particelle d’oro così si ritrovano più vicine al fascio luminoso e restituiscono un segnale più intenso. Semplificando: se nella soluzione c’è un batterio che si muove o una cellula cardiaca che batte, si vedrà un segnale luminoso di intensità proporzionale al livello di forza o di suono percepito.

Tutto questo grazie al polimero su cui sono adagiate le particelle d’oro, che si comprime sotto l’impulso delle forze generate dalle cellule e che può essere adattato alle diverse esigenze sperimentali: un polimero più rigido può essere utilizzato per misurare forze più grandi, mentre un idrogel conferirà una maggiore sensibilità.

Per il futuro i ricercatori aspirano a migliorare ulteriormente le capacità del dispositivo a fibre ottiche per misurare con maggiore efficienza la bioattività e i comportamenti meccanici delle singole cellule, fino addirittura a creare dei nano-stetoscopi per sviluppare nuove tecniche di imaging.

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