Maleńkie lasery w komórkach mogą działać jako autonomiczne czujniki
Sondy fluorescencyjne mimo tego, że nadal są złotym standardem w badaniach komórek, mają kilka ograniczeń. Stosunkowo szerokie spektrum emisji utrudnia rozróżnienie poszczególnych sond, gdy wiele z nich działa jednocześnie (multipleksowanie). Są również podatne na fotowybielanie, mogą być fototoksyczne dla komórek i są wrażliwe na czynniki środowiskowe, takie jak pH lub temperatura, co utrudnia ich kalibrację. W ramach projektu Cell-Lasers, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), prowadzone były pionierskie badania nad sposobem wykrywania stymulowanych emisji laserowych z nowych „mikro-laserów” umieszczonych w komórkach i tkankach. „Niezwykle wąskie linii emisji, wysoka spójność i intensywność tych laserów umożliwiają jednoczesne śledzenie setek komórek. Ponadto, ponieważ linie laserowe poruszają się precyzyjnie wraz z najmniejszymi zmianami w bezpośrednim otoczeniu lasera, mogą one funkcjonować jako ultraczułe czujniki siły i chemiczne” — wyjaśnia koordynator projektu Matjaž Humar z Instytutu Jožefa Stefana(odnośnik otworzy się w nowym oknie), gospodarza projektu. Zespołowi (jako pierwszemu) już udało się zademonstrować, że laser można wprowadzić do komórki. Projekt Cell-Lasers pokazał, jak takie lasery mogą być faktycznie wykorzystywane do badania procesów biologicznych, a praca ta przyniosła Humarowi nagrodę Zois Prize for Outstanding Achievements(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Słowenii.
W ofercie lasery kulkowe, bąbelkowe i jadalne
Lasery są zasadniczo wynikiem wzmocnienia światła w ośrodku. Aby wywołać ten efekt „laserowania”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), badacze z projektu Cell-Lasers wprowadzili materiał fluorescencyjny do mikroskopijnej wnęki (nośnika), który pod wpływem zewnętrznego źródła światła wzmacnia światło, zamieniając je w precyzyjny sygnał optyczny. Aby zintegrować te mikrolasery z hodowanymi żywymi komórkami i tkankami, zespół eksperymentował z szeregiem nośników laserowych, od stałych kulek po miękkie kropelki oleju, zanim wypróbował bańki mydlane, a nawet substancje jadalne. W zależności od badanego nośnika, były one naturalnie wchłaniane przez komórki lub wstrzykiwane do nich za pomocą małej pipety. Analiza przesunięć widmowych emitowanego światła umożliwiła pomiar sił komórkowych i dynamiki kropli lipidów. Zespół opracował również sposób śledzenia komórek głęboko w tkankach za pomocą rozproszonego obrazowania lokalizacji spektralnej, co pozwoliło rozszerzyć zakres poza standardową mikroskopię. Prowadzono szeroko zakrojone eksperymenty, w tym wstrzykiwanie mikrokropel oleju do hydrożeli, tkanki mózgowej i komórek tłuszczowych, aby zweryfikować ich zastosowanie jako czujników siły. Symulacje komputerowe pomogły następnie skorelować zmiany widmowe z konkretnymi zmianami kropli, aby zweryfikować skuteczność medium laserowego. „Monitorowaliśmy zmiany wielkości kropelek lipidów komórek tłuszczowych z nanometrową precyzją, aby ujawnić dynamikę metaboliczną wcześniej niewidoczną dla standardowej mikroskopii. Zmierzyliśmy również odkształcenia kropli z dokładnością do jednego nanometra, wykrywając siły komórkowe tak małe jak kilka jednostek (pikoniutonów)” — mówi Humar.
Nowe pionierskie badania w zakresie zdrowia i bezpieczeństwa żywności
Czujniki wewnątrzkomórkowe projektu Cell-Lasers oferują nowe sposoby badania chorób, takich jak rak i cukrzyca, na poziomie pojedynczej komórki, co potencjalnie może umożliwić stworzenie lepszych urządzeń diagnostycznych, takich jak czujniki w formie „inteligentnych tatuaży” do monitorowania poziomu glukozy. Nieoczekiwany owoc badań w ramach projektu — „jadalny laser”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) — może być wykorzystany do znakowania cennych produktów, takich jak oliwa z oliwek lub leki. Wykonane z materiałów takich jak żelatyna i chlorofil, które wykazują właściwości fluorescencyjne i wzmacniają światło lasera, mogą być połączone z produktami spożywczymi, co umożliwi ich skanowanie przez konsumentów w celu sprawdzenia świeżości. Rozważa się utworzenie start-upu w celu komercjalizacji technologii czujników opracowanych w ramach projektu. W międzyczasie badania naukowe dokonały postępów od kultur komórkowych do komórek pacjentów, co pozwoli na lepsze badania chorób. Dodatkowo, poszukując nowych sposobów znakowania komórek, po raz pierwszy wykorzystano kwantowe źródła pojedynczych fotonów jako wewnątrzkomórkowe kody kreskowe. Zaowocowało to pierwszą demonstracją generowania splątanych fotonów w materiałach organicznych, co otwiera nowe możliwości w optyce kwantowej, które są obecnie badane w ramach nowego projektu SoftQuanta.