Wstęp do bionanotechnologii – biomolekuły

Opiekun: dr Janusz Strzelecki

W ramach tego tematu zbadane zostaną właściwości mechaniczne materiałów bionanotechnologii – DNA i domen białkowych. Mikroskop Sił Atomowych (AFM) wykorzystany zostanie do kontrolowanego rozciągania pojedynczych biomolekuł.  Na przykładzie uzyskanych danych omówione zostanie znaczenie biomechaniki na poziomie molekularnym oraz biomolekuły jako potencjalny budulec nanotechnologii.

Uczestnicy:

Martyna Gortatowska

Witkowska Alicja

Wojciechowski Karol

Pierwsze spotkanie - 26.10.2013,

Wprowadzenie do tematyki nanotechnologii, prezentacja
tematów i pokaz aparatury pomiarowej -Mikroskopu Sił Atomowych

Drugie spotkanie (6h)30.11.2013

Wprowadzenie do pomiarów za pomocą mikroskopu sił atomowych,
wykonywanie pomiarów treningowych na modelowym białku I27 .

Trzecie spotkanie
(6h) 25.01.2014

Kontynuacja pomiarów treningowych białka I27. Wprowadzenie
do opracowywania wyników pomiarów Mikroskopii Sił Atomowych.

Czwarte spotkanie (6h)
29.03.14

Wprowadzenie do głównej tematyki badań - mechanika DNA,
adhezja DNA do złota za pomocą Mikroskopii Sił Atomowych

Piąte spotkanie (6h) 12.04.2014

Kontynuacja badań - mechanika DNA, adhezja DNA do za pomocą Mikroskopii
Sił Atomowych

Szóste (5h) i siódme
spotkanie (5h) 14.06.14

Mechanika DNA, adhezja DNA do złota. Rejestrowanie krzywych
siłowych na powierzchni oprzędu pająka topika.za pomocą mikroskopii sił
atomowych w celu oszacowania adhezji. Wprowadzenie do opracowywania danych
naukowych i zasad pisania publikacji.

Mikroskop Sił Atomowych

Mikroskop Sił Atomowych (Atomic Force Microscope – AFM) jest przedstawicielem klasy mikroskopów skaningowych – skanujących powierzchnię próbki za pomocą sondy. W przypadku AFM sonda ma postać ostrza umieszczonego na płaskiej sprężynce (nazywanej też mikrobelką) o rozmiarach ok. 100 um. Ostrze to jest przesuwane po powierzchni próbki i dociskane do niej przez przetwornik piezoelektryczny, umożliwiający przesunięcia z dokładnością poniżej 1 nm. W wyniku oddziaływań ostrza z nierównościami powierzchni sprężynka ugina się, a poprzez zastosowanie prostego układu optycznego wykonuje się pomiar tego ugięcia i jego zamianę na sygnał napięciowy. Kontroler działający w pętli sprzężenia zwrotnego utrzymuje stałe ugięcie sprężynki poprzez wydłużanie lub skracanie przetwornika piezoeletrycznego podczas skanowania powierzchni.

Obraz topografii powierzchni uzyskiwany jest poprzez mapowanie wartości wydłużenia przetwornika w każdym punkcie położenia sondy na próbce. Taki tryb obrazowania, ze względu na bezpośrednie oddziaływanie ostrza z próbką, nazywany jest trybem kontaktowym. Tryb ten umożliwia również pomiar tarcia między ostrzem a badaną próbką i jego rozkład na powierzchni, poprzez monitorowanie bocznego skręcenia sprężynki. W przypadku próbek miękkich, które w trybie kontaktowym mogłyby zostać uszkodzone, stosuje się tryby bezkontaktowe i kontaktu przerywanego, w których sprężynka pobudzana jest do drgań a oddziaływania między igłą a powierzchnią powodują zmiany ich amplitudy i fazy.

AFM posiada bardzo dużą rozdzielczość, umożliwiającą w przypadku niektórych próbek rozróżnienie nawet pojedynczych atomów. Jest to również jedna z nielicznych metod pomiaru chropowatości i właściwości mechanicznych w nanoskali, umożliwiając tym samym obserwacje istotnych zjawisk, ulegających uśrednieniu w pomiarach makroskopowych. Ogromną zaletą AFM w przypadku badań biomedycznych jest możliwość przeprowadzania pomiarów w cieczach i temperaturach fizjologicznych, jak również jego integracji z mikroskopią optyczną i fluorescencyjną. Ograniczeniem tej metody jest natomiast obrazowanie jedynie względnie płaskich próbek i długi czas pozyskania pojedynczego obrazu.

Spektroskopia mechaniczna, czyli pomiary sił przy wykorzystaniu AFM

Krzywa siłowa uzyskana podczas rozciągania pojedynczej molekuły białka modularnego

Krzywa siłowa uzyskana podczas rozciągania pojedynczej molekuły DNA.

Projekt „Wszechstronność godna Kopernika" realizowany w ramach Priorytetu I, Działania 1.1, Poddziałania 1.1.3. Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.