Optisch koppelpincet imiteert communicatie neuronen
Een internationaal team van onderzoekers heeft met een optische koppelpincet aangetoond dat draaiende microscopische cilinders exciteerbaar zijn. Daarmee vertoont dit systeem dynamische eigenschappen die op dezelfde fysische principes zijn gebaseerd als bijvoorbeeld de werking van neuronen, die met elkaar communiceren met actiepotentialen. De onderzoekers hebben tegelijkertijd aangetoond dat dit opto-mechanische systeem microscopische deeltjes in vloeistof kan detecteren. De onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft en het Institut Non Linéaire de Nice, publiceren de resultaten van dit door FOM gefinancierde onderzoek op de Nature Physics website op 19 december 2010.
Veel niet-lineaire systemen in de natuur zijn exciteerbaar, waarbij de neuronale cel het meest bekende voorbeeld is. Het woord 'exciteerbaar' kenmerkt de respons van dergelijke systemen op externe verstoringen: wanneer een verstoring optreedt die boven een kritische waarde komt, zal de respons van een exciteerbaar systeem altijd de vorm van een puls met constante amplitude aannemen. Neuronen communiceren bijvoorbeeld met elkaar door middel van voltagepulsen van constante amplitude (ook bekend als actiepotentialen) die een gevolg zijn van hun exciteerbare karakter.
Een optisch koppelpincet is een uniek instrument dat zowel de kracht als het impulsmoment dat op microscopische objecten - en dus ook hieraan gekoppelde biologische moleculen zoals DNA - wordt uitgeoefend, kan meten. Door een dergelijk instrument op te bouwen en te gebruiken om de draaiing van kwarts nanocilinders te bestuderen (zie figuur), konden de onderzoekers aantonen dat dergelijke draaiende micro-objecten een exciteerbaar karakter hebben. Daarmee vertoont dit opto-mechanische systeem dynamische eigenschappen die op dezelfde fysische principes zijn gebaseerd als bijvoorbeeld de werking van neuronen.
In de optische koppelpincet die een wisselwerking ondergaat met een kwarts microcilinder, is het gedetecteerde impulsmoment op de cilinder, de directe analoog van de actiepotentiaal in neuronen. Verstoringen met voldoende amplitude, in de vorm van kortstondige veranderingen in de lokale viscositeit van de vloeistof waarin de cilinder zich bevindt, wekken een respons op in de vorm van een puls in het gedetecteerde impulsmoment. De analogie met de neuronale dynamica komt overeen in de theorie: de vergelijkingen die dit opto-mechanische systeem nauwkeurig beschrijven zijn identiek aan de vergelijkingen die benut worden in simulaties van eenvoudige neuronale netwerken.
De onderzoekers hebben tevens aangetoond dat dit microscopisch exciteerbare systeem gebruikt kan worden voor de detectie van microscopische deeltjes. Mocht een dergelijk deeltje zich in de buurt van de draaiende microcilinder bevinden, dan werkt dit als een verstoring die een eenvoudig detecteerbare respons in het impulsmoment oplevert. Dit biedt een manier om cellen of overige microscopische deeltjes in vloeistof te detecteren, te tellen of te scheiden.
Dit onderzoek is gefinancierd door FOM en vindt plaats in het FOM-programma 'DNA in Action – Physics of the Genome'.
Meer informatie
Dr. Francesco Pedaci (Department of Bionanoscience, Kavli Institute of NanoScience, Delft University of Technology); (015) 278 35 52.
Prof.dr. Nynke Dekker (Department of Bionanoscience, Kavli Institute of NanoScience, Delft University of Technology); (015) 278 32 19.
Referentie
F. Pedaci*, Z. Huang*, M. van Oene, S. Barland, and N.H. Dekker (*=equal contribution) 'Excitable Particles in an Optical Torque Wrench' Nature Physics (2010)