การติดตาม 3 มิติของ QD ในเซลล์ A549 และการวิเคราะห์วิถีแบบไดนามิก มารยาท: จดหมายฟิสิกส์จีน จุดควอนตัมกระจายภายในเซลล์ที่มีชีวิตในลักษณะเกือบสองมิติ ผลลัพธ์นี้ ซึ่งได้มาจากการใช้เทคนิคกล้องจุลทรรศน์ 3 มิติแบบใหม่ที่สามารถติดตามอนุภาคเดี่ยว ทำให้เกิดแสงใหม่ในการแพร่ภายในเซลล์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่สำคัญสำหรับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลรอบเซลล์และสำหรับกิจกรรม
ที่สำคัญอื่นๆ เป็นตัวกลาง ตามที่หัวหน้าการศึกษา
Hui Liนักชีวฟิสิกส์ที่Chinese Academy of Sciences ในปักกิ่งและBeijing Normal Universityการเคลื่อนไหว 2 มิติที่เขาและเพื่อนร่วมงานสังเกตเห็นนั้นแข็งแกร่งและเกิดขึ้นจากสถาปัตยกรรมที่ซับซ้อนของเซลล์ชีวภาพ “เกาะติดกัน” ที่พวกเขาศึกษา
จุดควอนตัมเป็นเครื่องตรวจสอบที่เหมาะสำหรับการศึกษาการแพร่กระจายภายในเซลล์ในเซลล์ที่มีชีวิต พวกมันมีขนาดใกล้เคียงกับโมเลกุลขนาดใหญ่ภายในเซลล์ และสามารถเลียนแบบวัสดุชีวภาพได้ค่อนข้างง่าย โดยการเคลือบพื้นผิวของพวกมันด้วยโมเลกุลอินทรีย์ อย่างไรก็ตาม การศึกษาก่อนหน้านี้อาศัยการวัดการเคลื่อนที่แบบสองมิติเป็นหลัก โดยสันนิษฐานว่าการแพร่แบบสามมิติเป็นส่วนเสริมของการแพร่แบบ 2 มิติและเป็นไอโซโทรปิก
งานใหม่นี้เผยให้เห็นว่าในความเป็นจริงการแพร่กระจายนั้นเป็นแอนไอโซโทรปิกสูง ต้องขอบคุณสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกันของโครงสร้างเซลล์ต่างๆ จากพฤติกรรมการแพร่กระจายของ quasi-2D ที่พวกเขาสังเกตเห็น Li และเพื่อนร่วมงานสรุปการมีอยู่ของโครงสร้างระนาบภายในไซโตพลาสซึม ซึ่งเป็นสารละลายที่หนาซึ่งประกอบด้วยน้ำ เกลือ และโปรตีนเป็นส่วนใหญ่ที่เติมแต่ละเซลล์และล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มเซลล์ พวกเขายังแนะนำว่าโครงสร้างระนาบเหล่านี้ให้วิธีการขนส่งโมเลกุลอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพโดยการแพร่กระจายภายในเซลล์
กล้องจุลทรรศน์ติดตามอนุภาคเดี่ยว 3 มิติ
Li และเพื่อนร่วมงานได้ผลลัพธ์โดยใช้ส่วนขยายของเครื่องมือติดตามอนุภาคเดี่ยวแบบ 2 มิติ (SPT) ที่พวกเขาพัฒนาขึ้นในปี 2558 เช่นเดียวกับรุ่นก่อน 3D SPT ใหม่อาศัยการติดตามจุดควอนตัมเดียวในเซลล์ “เกาะติดกัน” ซึ่งเป็นหนึ่งในเซลล์ส่วนใหญ่ ชนิดทั่วไปของเซลล์ชีวภาพ และแบบจำลองทางเลือกสำหรับการศึกษาระดับเซลล์
ในขณะที่วิธีการก่อนหน้านี้สามารถวัดตำแหน่งของอนุภาคในแนวขวาง (ทิศทาง x และ y) ได้เท่านั้น แต่กระนั้นก็เผยให้เห็นพฤติกรรมการแพร่กระจายที่แตกต่างกันและแบ่งเป็นส่วนๆ ในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม ซึ่งเป็นโครงสร้างเซลล์ที่มีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์โปรตีน การพับ และการขนส่ง อย่างไรก็ตาม มันไม่สามารถแสดงให้เห็นว่าจุดต่างๆ กระจายตัวผ่านไซโตพลาสซึมในทั้งสามทิศทางในอวกาศได้อย่างไร วิธีการใหม่นี้เอาชนะข้อบกพร่องนี้ได้ เนื่องจากสามารถวัดตำแหน่งแกน (ทิศทาง z) ของอนุภาคได้เช่นเดียวกับตำแหน่งด้านข้างของอนุภาคด้วยความละเอียดที่เล็กถึง 35 นาโนเมตร
รวมจุดเพื่อปรับปรุงกล้องจุลทรรศน์ SPT 2D ของพวกเขา นักวิจัยปักกิ่งต้องสร้างส่วนประกอบเพิ่มเติมสองส่วนสำหรับมัน: อุปกรณ์ล็อคโฟกัสเพื่อกำจัดการเลื่อนในแนวตั้ง และอุปกรณ์ถ่ายภาพสองโฟกัสเพื่อวัดตำแหน่งแกนของอนุภาคจากวงแหวนเลี้ยวเบนที่ไม่โฟกัส
Nanotweezers โพรบเซลล์เดียวในการทดลอง
นักวิจัยได้โหลดจุดควอนตัมลงในไซโตพลาสซึมของเซลล์มะเร็งในมนุษย์ที่เพาะเลี้ยง (A549) เมื่อพวกเขาแปลอนุภาคโดยใช้วิธีการ 3D SPT ใหม่ พวกมันจะ “รวม” จุดเพื่อสร้างวิถีของพวกมันผ่านไซโตพลาสซึม เทคนิคนี้ช่วยให้พวกเขาวิเคราะห์วิถีในแง่ของประเภทการเคลื่อนที่ (นั่นคือ การเคลื่อนที่แบบบราวนิ่ง การกระจายย่อย หรือการเคลื่อนไหวที่จำกัด) และยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อัตราการแพร่
“การแพร่กระจายภายในเซลล์เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเคลื่อนย้ายโมเลกุลในเซลล์และเป็นสื่อกลางในกระบวนการของเซลล์ที่สำคัญหลายอย่าง” Li กล่าวกับPhysics World “การค้นพบของเราชี้ให้เห็นว่าเซลล์อาจใช้สถาปัตยกรรมของไซโตพลาสซึมเพื่อควบคุมการเปลี่ยนแปลงของการแพร่กระจายภายในเซลล์และควบคุมการขนส่งโมเลกุลขนาดใหญ่” อันที่จริง การแพร่แบบกึ่ง 2 มิติของจุดที่มีการเคลื่อนที่แบบจำกัดในทิศทางตามแนวแกนดูเหมือนจะส่งเสริมการเคลื่อนย้ายโมเลกุลอย่างมีประสิทธิภาพ และลดเวลาการแพร่กระจายของอนุภาค
สมาชิกของทีมปักกิ่งซึ่งรายงานงานของพวกเขาเป็นChinese Physical Lettersตอนนี้วางแผนที่จะรวมเทคนิค 3D SPT เข้ากับการถ่ายภาพ subcell แบบไดนามิกเพื่อสำรวจความสัมพันธ์ระหว่างการแพร่กระจายกึ่ง-2D ที่พวกเขาสังเกตเห็นและสถาปัตยกรรมของเซลล์ได้ดียิ่งขึ้น “เรากำลังตรวจสอบการแพร่กระจายภายในเซลล์ในเซลล์ที่มีการโยกย้ายอย่างรวดเร็วเพื่ออธิบายกลไกทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลังการแพร่กระจายของเซลล์” Li กล่าว “นี่เป็นโครงการที่น่าตื่นเต้นที่สุดของเราในตอนนี้”
การทดลองของ Bechhoefer และ Kumar เริ่มต้นด้วยถ้วยน้ำ แต่ไม่ได้เปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำในแง่จริง แทนที่จะปล่อยลูกปัดแก้วเล็กๆ ในบีกเกอร์หลายพันครั้งจากตำแหน่งต่างๆ ตลอดความกว้างของตัวอย่างที่กำหนดขนาดคอนเทนเนอร์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการทดลอง ตำแหน่งที่ปล่อยลูกปัดจะถูกกำหนดตามการแจกแจงความน่าจะเป็นที่กำหนดโดยเทอร์โมไดนามิกส์และสถิติของ Boltzmann สำหรับ “อุณหภูมิ” เริ่มต้นที่เลือกโดยระบบ
เมื่อลูกปัดตกลงมา โมเลกุลของน้ำจะถูกทิ้งระเบิด ส่งผลให้เกิดการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน แต่นักวิจัยยังได้ใช้ “โปรไฟล์ศักยภาพเสมือน” โดยใช้ระบบแหนบออปติคอลป้อนกลับ สิ่งนี้จะเปลี่ยนการกระจายความน่าจะเป็นของตำแหน่งของลูกปัด – สร้างการเปลี่ยนแปลงใน “อุณหภูมิ” ของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ โปรไฟล์ศักยภาพเสมือนจริงนี้มีจุดจุ่มสองจุด ซึ่งสอดคล้องกับบ่อน้ำที่มีศักยภาพสองเท่าของภูมิทัศน์ที่ปราศจากพลังงานของน้ำ: การจุ่มครั้งเดียวที่น้ำสามารถ “เย็นจัด” ให้กับน้ำที่เป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ และการจุ่มที่ต่ำกว่าเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง โดยการวัดการกระจายความน่าจะเป็นของตำแหน่งของลูกปัดที่ปล่อยออกมาหลังจากเวลาที่กำหนด และกำหนดว่าการกระจายนั้นแตกต่างจากการกระจายความน่าจะเป็นที่สมดุลมากน้อยเพียงใด
Credit : keibairon.net laconius.net laestrellapalestina.org laquinarderie.org lesdessinateurs.info
