LJUS, INTE BARA FÖR SYNS SKULL – HUR MAN KAN FÅNGA
OCH FÖRFLYTTA OBJEKT MED ENDAST LASERLJUS
Dr. Magnus Andersson
Assistant professor
The Biophysics and Biophotonics group /
Department of Physics @ Umeå University
BIOFYSIK- OCH BIOFOTONIKGRUPPEN
MIKRONIVÅ
•
Utveckling av beröringsfria mättekniker
MAKRONIVÅ
•
• Optisk pincett
• Teknik för optimerad
träningseffekt
• Laserinducerad nedbrytningsspektroskopi (FOI)
• Hjälpmedel för fysikundervisning
(virtuellförstärkning av
verkligheten)
• Flödeskammare
• Höghastighetsavbildning
•
• Rehabiliteringsmodul
Teoriutveckling
• Monte Carlo simuleringar
Utveckling av mjukvara för
realtidsanalys med kamera
•
Biomekaniska modeller
• Finita elementmetoder
www.krimagtech.se
REALTIDSANALYS AV RÖRELSE
LJUSETS EGENSKAPER
• Reflektion
• Fix hastighet
• Brytas
• Dispersion
• Vågegenskaper
• Interferera
• Totalreflektion
• Strålningstryck
• Polariseras
• Partikelegenskaper
• Energi
Hur man kan fånga och förflytta objekt med endast laserljus
OPTISK PINCETT
MEKANISK PINCETT
• Flytta små objekt
• Ej möjligt manipulera objekt
In Vivo
~(1 mm – 1 cm)
OPTISK PINCETT
~(10 nm – 100 µ m)
Bakterier
in vivo fångning
Biologiska tillämpningar
Kraftmätning
Mikrokula
•
•
•
Kraftupplösning < pN (10-12 N)
Protein utveckling (e.g. titin)
Karakterisering av molekylära motorer
(Myosin, Kinesin, PilT)
RNA polymeras transkriptions kraft
• Kraftmätning av organeller
OPTISK PINCETT - KONSTRUKTION
Ljuskälla - laser
Optik
Lins - objektiv
OPTISK PINCETT–
Ett verktyg för mikro-manipulering och kraftspektroskopi
FRÅN LASER TILL OPTISK PINCETT
Tidslinje
1958 Invention of Laser,
1970 Arthur Ashkin levitates micron sized particles, Bell Labs,
1986 Demo of Optical tweezers
1987 Ashkin manipulates live bacteria and viruses
1989 OT used to manipulate live sperm
Block&Berg measure stiffness of bacterial flagella
1990 Steven Chu reports manipulation of DNA using OT
http://www.bell-labs.com/user/feature/archives/ashkin/
1991 Karl Greulich and colleagues use optical tweezers to isolate individual chromosomes
1993 J. J. Krol develops multiple trap system
2004 Block builds first combination optical trap/fluorescence instrument
10
A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970)
OPTISKA KRAFTER
Fotoner bär rörelsemängd:
p=h/λ
Reflektion, brytning etc, genererar en kraft
F = dp/dt
Små krafter
Solens strålningstryck på en bil ≈ 2.25x10-6 N
Laserpekare på tavlan 10 pN (10-11 N)
Kometens svans pekar alltid bort
från solen.
Nature, 444, 823, 2006
OPTISKA KRAFTER – GEOMETRISK OPTIK
Kraft
Ljusets rörelsemängd
p=h/λ
ns
Konserverat system
∆p = −∆p particle
∆p
nb>ns
Rörelsemängdsförändring
dp
∝ Force
dt
GEOMETRISK OPTIK
B
A
F
Kraft
Ashkin, A. "Phys. Rev. Lett. 24, 156-159", (1970)
MÄTA KRAFTER – HARMONISK POTENTIAL
F = kx ⋅ x
kx
Styrkan, kx, kan tas fram
från den Brownska rörelsen
kx ~ 10-4 N/m
KALIBRERING AV KULA
M.D simulering
Brownsk rörelse beskrivs enligt,
mɺɺ
x(t) + γ xɺ (t) + κ x(t) + F(t) = 0
Fourier transform
F ( w) = F ( f (t )) =
∞
∫
f (t )e − iwt dt
Power Spectrum
−∞
-5
2
X(f ) =
k BT
π 2γ ( f c2 + f 2 )
Anpassning ger k
2
Lösning
Voltage (V/nm )
10
-6
10
-7
10
kx ~ 10-4 N/m
-8
10
0
10
1
10
2
10
Frequency (Hz)
3
10
4
10
ALLTSÅ,
OPTISK PINCETT KAN!
• Manipulera
• Mäta krafter (sub-pN)
MIKROMANIPULATION AV BAKTERIER
MÅL: SEPARERA UT ENSKILDA BORRELIA BAKTERIER FÖR SINGLE CELL KLONING OCH
GENOMSEKVENSERING
Isolera bakterien med ett
mikroinjektionssystem
Hitta en bakterie
Injecera bakterien i en
SCID mus.
MÅL: Mät interaktionerna mellan Borrelia
bakterier och röda blodkroppar.
The Bacteria Maze
B
A
www.umu.se/digitalAssets/22/22049
_borreliajpg.jpg
KRAFT SPEKTROSKOPI
KRAFT SPEKTROSKOPI
Mikrosfär
Energi
∆E
A
k ( F ) AB = ν e − ( ∆ET − Fxt )/ kBT
B
xt
Reaktionskoordinat x
Bell, M. G. 1978. Models for the specific adhesion of
cells to cells. Science 200:618-627.
VÅR FORSKNING – FÖRSTÅ VIDHÄFTNING
Antibiotika
Bakterier
Nya mediciner?
FÖRHINDRA VIDHÄFTNING
MIKRO-BLÄCKFISK
“Pilus”
“Adhesin”
(swe. vidhäftningsreceptor)
P PILI – EGENSKAPER
P pili
AFM by J. Jass
Pilis struktur
2~µ m lång
8~nm bred
Type 1 pili
Vad händer om en sådan
struktur utsätts för töjning?
BIOLOGISKT SYSTEM - URINVÄGSINFEKTIONER
Bakterie som uttrycker P pili
P pili
Type 1 pili
- Olika flöden i kroppen -> Mekaniska skillnader?
NATURLIGT BIOSYSTEM
Utan flöde
Urine flöde
?
Biomekaniska egenskaper
viktiga
Ej korrekt skala!
MÄTPROCEDURE
Ingen kraft
Kraft
TÖJNINGSEXPERIMENT
KRAFTMÄTNING AV P-PILI
•
•
Väldigt flexibla ~10 gångers förlängning
Vecklas ut och ihop flertalet gånger
SLUTSATS: Utmärkta dämpare
FYSIKALISK MODELERING
Extension
O. Björnham, O. Axner, and M. Andersson, Simulating the Unfolding and
Refolding of the E. Coli P pili Exposed to force by a Monte Carlo method
European Biophysics Journal (2007)
Contraction
P pili
Type 1 pili
Varför är P and typ 1 pili olika
M. Andersson, B.E. Uhlin and E. Fällman, The biomechanical properties of E. coli pili for
urinary tract attachment reflect the host environment. Biophysical Journal 93 (2007).
NATURLIG MILJÖ
Inget flöde
Urinflöde
Utveckling / kontraktion kan
ske flertalet gånger.
VINST MED ATT KUNNA FÖRLÄNGA SIG
www.physics.umu.se/english/research/biological-physics/the-optical-tweezers-center/
