Wiemy więcej o lepkości – i o cytoplazmie komórek rakowych

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w fizycznie spójny sposób opisali zmiany zachodzące w lepkości mierzonej w różnych roztworach i odczuwanej przez próbniki o rozmiarach od skali nano do makro. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nano Letters”. „Udoskonaliliśmy nasze wcześniejsze wzory i twierdzenia i z powodzeniem zastosowaliśmy je do większej liczby układów, w tym po raz pierwszy do opisu lepkości cytoplazmy w komórkach rakowych”, mówi prof. dr hab. Robert Hołyst z IChF PAN.

Pierwszą publikacją naukową nawiązującą do lepkości płynów złożonych była praca Alberta Einsteina z 1906 roku. Z czasem pojawiły się jednak intrygujące wyniki pomiarów lepkości cytoplazmy w komórkach. Wskazywały one, że choć sama cytoplazma ma dużą lepkość, małe białka poruszają się w niej bez większych problemów – wiele rzędów wielkości szybciej niż wynikałoby to ze wzoru Stokesa-Sutherlanda-Einsteina.

Naukowcom z IChF PAN udało się obecnie opisać zmiany lepkości za pomocą jednego wzoru fenomenologicznego, zawierającego współczynniki tej samej natury fizycznej. Charakteryzują one zarówno ośrodek płynny (wypełniony np. siecią długich polimerów lub zlepkami cząsteczek), jak i poruszający się w nim próbnik (np. cząsteczkę białka). Nowy wzór ma charakter uniwersalny i może być stosowany dla próbników o rozmiarach od ułamków nanometrów po centymetry. Znalezione zależności obowiązują w płynach różnych typów, takich jak roztwory o elastycznej strukturze mikroskopowej (np. sieci polimerowe w rozmaitych rozpuszczalnikach) i układy mikroskopowo sztywne (np. zbudowane z wydłużonych agregatów cząsteczek – miceli).

W pracy opublikowanej w „Nano Letters” badacze z IChF PAN zastosowali nowy wzór do opisu ruchu fragmentów DNA i innych próbników w mysich komórkach mięśniowych (Swiss 3T3) i ludzkich komórkach rakowych (HeLa). „Udało się nam wykazać, że lepkość płynu w komórce rzeczywiście zależy nie tylko od struktury wewnątrzkomórkowej, ale także od rozmiaru próbnika użytego przy pomiarze”, mówi doktorant Tomasz Kalwarczyk z IChF PAN.

Naukowcy z IChF PAN zmierzyli tzw. długość korelacji, która w cytoplazmie komórek Swiss 3T3 wyniosła 7 nanometrów (miliardowych części metra), a w komórkach HeLa – 5 nm. Długość korelacji jest dla lepkości wartością graniczną – białka o rozmiarach mniejszych poruszają się w komórce swobodnie. Drugą wyznaczoną wielkością graniczną był promień hydrodynamiczny obiektów tworzących sam płyn. Jest to również istotny parametr, ponieważ próbniki większe od tego promienia podlegają już lepkości makroskopowej (próbniki większe od długości korelacji, lecz mniejsze od promienia hydrodynamicznego odczuwają lepkość gwałtownie rosnącą wraz z ich rozmiarami). Okazało się, że w komórkach HeLa lepkość makroskopową odczuwają próbniki większe od 350 nm, podczas gdy w komórkach Swiss 3T3 próg wynosi zaledwie 120 nm. „Dzięki naszym badaniom pojawiła się nowa metoda charakteryzowania struktury komórek – za pomocą pomiarów lepkości ich cytoplazmy”, podkreśla Kalwarczyk.

Wyniki badań zaprezentowanych przez naukowców z IChF PAN pozwolą lepiej szacować czas migrowania leków wprowadzanych do wnętrza komórek, znajdą także zastosowanie w nanotechnologiach, np. przy wytwarzaniu nanocząstek za pomocą roztworów micel. Ich znaczenie jest też istotne dla nowoczesnych metod pomiarowych, takich jak dynamiczne rozpraszanie światła, pozwalające analizować zawiesiny cząsteczek pod kątem ich rozmiarów. Jeśli nie uwzględni się zależności lepkości od rozmiaru użytego próbnika, wyniki tych pomiarów mogą być obarczone dużymi błędami.

Badania nad lepkością w IChF PAN są współfinansowane przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach grantu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Attached files
  • Cząsteczki poruszające się w sieci polimerowej płynu złożonego odczuwają różną lepkość w zależności od swych rozmiarów. (Źródło: IChF PAN)
  • pdf file
  • Lepkość zależy nie tylko od mikroskopowej struktury płynu złożonego (na zdjęciu kłąb przewodów obrazuje kłębki polimerowe w cieczy), ale także od rozmiaru użytego próbnika (w demonstracji użyto w tym charakterze piłki tenisowej). Zjawisko przedstawia doktorant Tomasz Kalwarczyk z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. (Źródło: IChF PAN/Grzegorz Krzyżewski)

Other content in...

Categories

Regions