Barn, gressklippere, fly, tog, biler - omtrent alt gir lyd. Og hvis to forskere fra California har rett, gjør også levende celler. I nylige eksperimenter med nanoteknologiens grensevitenskap har forskerne funnet bevis på at gjærceller gir fra seg en slags skvis mens pattedyrceller kan gi fra seg en annen. Forskningen, selv om den fremdeles er foreløpig, er potensielt "revolusjonerende", slik en forsker uttrykker det, og en mulig, riktignok fjern medisinsk anvendelse, blir allerede fulgt: En dag går tankene, lytter til lydene cellene dine kan fortelle lege før symptomer oppstår, enten du er frisk eller i ferd med å være syk.
Relatert innhold
- Kan nanoteknologi redde liv?
Grunnleggeren av studiet av cellelyder, eller "sonocytology", som han kaller det, er Jim Gimzewski, en 52 år gammel UCLA-kjemiker som har bidratt til et kunstmuseums utstilling om molekylær struktur. Cellelyd-ideen kom til ham i 2001 etter at en medisinsk forsker fortalte ham at når levende hjerteceller plasseres i en petriskål med passende næringsstoffer, vil cellene fortsette å pulse. Gimzewski begynte å lure på om alle celler kan slå, og i så fall ville slike bittesmå vibrasjoner gi en detekterbar lyd. Tross alt, hevdet han, er lyd bare et resultat av en kraft som presser på molekyler, og skaper en trykkbølge som sprer seg og registrerer når den treffer trommehinnen. Han begrunnet også at selv om en støy generert av en celle ikke ville være hørbar, kan den bli oppdaget av et spesielt følsomt instrument.
Gimzewski er godt egnet til å takle spørsmålet, og er både en ekspert på instrumentering - han har bygget sine egne mikroskop - og komfortabelt hjemme i det uendeligste verden. En ledende innen nanoteknologi, eller vitenskapen om å manipulere individuelle atomer og molekyler for å bygge mikroskopiske maskiner, arbeidet Gimzewski tidligere ved IBMs forskningslaboratorium i Zürich, Sveits, der han og kollegene bygde en spinnende molekylær propell med 1, 5 nanometer, eller 0, 0000015 millimeter i diameter. De bygde også verdens minste abacus, som som perler hadde individuelle molekyler med diameter mindre enn et enkelt nanometer. Hvis ikke annet, viste bragdene, som fikk betydelig anerkjennelse, at nanoteknologiens mye hypede løfte hadde et grunnlag i virkeligheten.
For sitt første forsøk på sonocytology skaffet Gimzewski gjærceller fra biokjemikolleger ved UCLA. (Han "fikk utseende, " husker han, da han forklarte hvorfor han ønsket cellene.) Arbeidet med doktorgradsstudent Andrew Pelling, tenkte Gimzewski på en måte å teste for cellestøy med et nanoteknologisk verktøy kalt et atomkraftmikroskop (AFM). Vanligvis skaper en AFM et visuelt bilde av en celle ved å passere den veldig bitte sonden, som er så liten at spissen er mikroskopisk, over celleoverflaten, og måler hver støt og hule ytre membran. En datamaskin konverterer dataene til et bilde. Men UCLA-forskerne holdt AFMs bittesmå sonde i en fast stilling, og hviler den lett på overflaten av en cellemembran "som en plate-nål, " sier Pelling, for å oppdage eventuelle lydgenererende vibrasjoner.
Paret fant at celleveggen stiger og faller tre nanometer (ca. 15 karbonatomer stablet oppå hverandre) og vibrerer i gjennomsnitt 1000 ganger i sekundet. Avstanden til celleveggen beveger seg bestemmer amplituden, eller volumet, av lydbølgen, og hastigheten på opp-og-ned-bevegelsen er dens frekvens eller tonehøyde. Selv om volumet av gjærcellelyden var altfor lavt til å bli hørt, sier Gimzewski at frekvensen teoretisk sett var innenfor området for menneskelig hørsel. "Så alt vi gjør er å skru opp volumet, " legger han til.
Gimzewski (holder en modell av et karbonmolekyl i UCLA-laboratoriet sitt) bruker et atomkraftmikroskop for å "lytte" til levende celler. (Debra DiPaolo) Hyppigheten av gjærcellene forskerne testet har alltid vært i samme høye område, "omtrent en C-skarp til D over midten C når det gjelder musikk, " sier Pelling. Å strø alkohol på en gjærcelle for å drepe den hever tonehøyde, mens døde celler gir fra seg en lav, rumlende lyd som Gimzewski sier er sannsynligvis et resultat av tilfeldige atombevegelser. Paret fant også at gjærceller med genetiske mutasjoner gir en litt annen lyd enn normale gjærceller; den innsikten har gitt håp om at teknikken etter hvert kan brukes til å diagnostisere sykdommer som kreft, som antas å stamme fra endringer i genetisk sammensetning av celler. Forskerne har begynt å teste forskjellige typer pattedyrceller, inkludert benceller, som har lavere tonehøyde enn gjærceller. Forskerne vet ikke hvorfor.
Få forskere er klar over Gimzewskis og Pelings sonocytologiverk, som ikke er publisert i vitenskapelig litteratur og undersøkt. (Forskerne har sendt inn funnene sine i en fagfellevurdert tidsskrift for publisering.) Munnhull har ført til skepsis og beundring. En forsker kjent med forskningen, Hermann Gaub, styreleder for anvendt fysikk ved LudwigMaximilian universitet i München, Tyskland, sier lydene som Gimzewski mener er cellulære vibrasjoner kan ha andre opphav. "Hvis kilden til denne vibrasjonen vil bli funnet inne i cellen, ville dette være revolusjonerende, spektakulær og utrolig viktig, " sier Gaub. "Det er imidlertid mange potensielle [lyd] kilder utenfor cellen som må ekskluderes." Pelling er enig, og sier at han og Gimzewski gjør tester for å utelukke muligheten for at andre molekyler i væsken som bader cellene, eller til og med tuppen av selve mikroskopet, genererer vibrasjoner som sonden tar opp.
Ratnesh Lal, en nevrovitenskapsmann og biofysiker ved University of California i Santa Barbara som har studert pulseringen av hjerteceller som holdes levende i et fat, sier at Gimzewskis ekspertise innen nanoteknologi kan være nøkkelen til å finne ut om celler produserer lyd. "Det ultimate håpet er å bruke dette i diagnostikk og forebygging, " sier Lal og legger til: "Hvis det er noen i verden som kan gjøre det, kan han det."
Gimzewski erkjenner at mer arbeid må gjøres. I mellomtiden har funnene fått oppmerksomheten til hans UCLA-kollega Michael Teitell, en patolog som spesialiserer seg på kreft i lymfocytten, en type hvite blodlegemer. Han utsetter menneskelige og musmuskelceller og benceller for medisiner og kjemikalier for å indusere genetiske og fysiske forandringer; Gimzewski vil deretter prøve å "lytte" til de endrede cellene og skille dem ut fra lydene deres.
Teitell sier tanken på å oppdage kreft på de tidligste celletrinnene er spennende, men hvorvidt teknologien vil fungere som et diagnostisk verktøy gjenstår å se (eller høre). Han ønsker ikke å overselge ideen: "Det kan vise seg at alle disse signalene vil være en slik feil at vi ikke vil være i stand til å tydelig identifisere den ene fra den andre."
Gimzewski håper arbeidet vil ha en praktisk anvendelse, men han er like begeistret av jakten som fangsten. "Uansett utfall, " sier han, "jeg er først og fremst drevet av nysgjerrighet og spenning over fenomenet cellulær bevegelse - hva inspirerte naturen til å lage en slik mekanisme og virkelig forstå dyptgående hva disse vakre lydene betyr." Bare muligheten for at han har oppdaget et nytt kjennetegn ved celler, med alle de spennende spørsmålene som reiser seg, er, sier han, "allerede mer enn nok av en gave."
