Schwebende Luftballons inspirieren Kraftmessungen der Zukunft

Max-Planck-Forscher messen Femto-Newton-Kräfte mit Hilfe lichtgesteuerter Strömungen

Lineare Auslenkung eines mikroskopischen Teilchens in einer optisch erzeugten Strömungsfalle. Ein Teilchen, das durch lichtinduzierte Strömungen sorgfältig ausbalanciert wird, ähnlich einem Luftballon, der über einem Föhn schwebt, visualisiert kleinste magnetische Kräfte. Copyright: Kreysing Lab / MPI-CBG

In einer biologischen Zelle sind viele Prozesse von winzigen mechanischen Kräften abhängig. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift eLight veröffentlicht wurde, hat die Forschungsgruppe um Moritz Kreysing vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) einen völlig neuen Ansatz entwickelt, um Mikropartikel einzufangen, die häufig verwendet werden, um kleinste Kräfte zu erfassen.

Insbesondere konnten die Forscher mikroskopisch kleine Objekte festhalten, indem sie mit Licht Flüssigkeitsströme erzeugten, ähnlich dem Balancieren eines Luftballons mit einem Föhn. Durch die Beobachtung kleinster Auslenkungen dieser Teilchen von ihrem Gleichgewichtspunkt, gelang es den Forschern, Kräfte zu messen, die etwa eine Milliarde Mal kleiner sind als der Flügelschlag eines Schmetterlings.

Moritz Kreysing erklärt: „Wir haben schon früher durch Licht erzeugte Ströme genutzt, um das Innere von biologischen Zellen zu bewegen und Partikel mit Nanometer-Präzision zu positionieren. Dabei war es immer ein Leichtes, die Geschwindigkeit dieser Strömungen zu reduzieren. Wir fanden schnell heraus, dass die auf ein Teilchen wirkenden Kräfte nicht nur unglaublich klein, sondern auch dazu geeignet sind, die auf das Teilchen wirkenden äußeren Kräfte sehr genau zu quantifizieren.“

Im Gegensatz zu optischen Pinzetten müssen die Partikel bei dieser Methode nicht direkt mit Laserlicht bestrahlt werden. Die Autoren, zu denen auch der Absolvent der University of Cambridge und Erstautor des eLight-Artikels, Iliya Stoev, gehört, erklären daher, dass sie davon ausgehen, dass “dieser neuartige Ansatz von großer Bedeutung sein wird, zunehmende Bedenken hinsichtlich unerwünschter Einflüsse des Laserlichts auf lebende Systeme zu zerstreuen.” Zudem gehen die Autoren davon aus, dass diese innovative Methode zur Messung von Femto-Newton-Kräften Bedeutung auch in anderen Wissenschaftsfeldern erlangen wird.

Diese Studie wurde von der Volkswagen-Stiftung gefördert.

Text: Christopher Edwards

Originalpublikation

Stoev, I.D., Seelbinder, B., Erben, E. et al. Highly sensitive force measurements in an optically generated, harmonic hydrodynamic trap. eLight 1, 7 (2021). doi.org/10.1186/s43593-021-00007-7

Kontakt

Dr. Moritz Kreysing: kreysingmpi-cbg.de
Dr. Iliya Stoev: stoevmpi-cbg.de