Ein Team aus Materialwissenschaftlern, Physikern, Maschinenbauingenieuren und Molekularphysiologen an der Stanford University hat eine Nanopartikeltechnik entwickelt, mit der sich die Kraftdynamik im Inneren eines Lebewesens messen lässt, beispielsweise von Caenorhabditis elegans-Würmern, die in ihre Nahrung beißen.
In ihrem Papier veröffentlicht im Tagebuch Naturbeschreibt die Gruppe, wie sie Infrarotstrahlung nutzten, um lumineszierende Nanokristalle so anzuregen, dass die Energieniveaus von Zellen im Inneren eines C. elegans-Wurms gemessen werden konnten.
Andries Meijerink von der Universität Utrecht hat eine veröffentlicht Artikel über Neuigkeiten und Ansichten in derselben Zeitschriftenausgabe, in der die Arbeit des Teams in Kalifornien beschrieben wird.
Wie Meijerink anmerkt, könnte die Möglichkeit, Kräfte im Inneren von Lebewesen zu messen, einen großen Beitrag zu einem besseren Verständnis interner molekularer Prozesse leisten. Solche Bemühungen wurden bisher durch die Notwendigkeit der Fernerkundung über unterschiedliche Entfernungen und Maßstäbe hinweg behindert. In dieser neuen Studie hat das Forschungsteam einen Weg gefunden, solche Probleme zu umgehen, und sie haben die Kraft der Muskeln im Verdauungstrakt von C. elegans gemessen.
Die Arbeit baute auf früheren Forschungsergebnissen auf, die zeigten, dass Licht von lumineszierenden Molekülen für die Fernerkundung genutzt werden kann, wenn das Emissionsspektrum durch bestimmte physikalische Veränderungen wie Temperatur oder Druck beeinflusst wird. Sie betteten Erbium- und Ytterbium-Nanokristalle in winzige Polystyrolkügelchen von etwa der Größe von Bakterien ein und verfütterten sie dann an C. elegans-Würmer. Die Größe der Kugeln ermöglichte es ihnen, durch das Verdauungssystem des Wurms zu gelangen, bis sie auf eine Struktur namens „Mühle“ trafen, die, wie der Name schon sagt, die Nahrung zermahlt, die der Wurm frisst.
Die Forscher stellen fest, dass die Mühle durch Anspannen und Entspannen der darunter liegenden Muskeln betrieben wird. Die von den Forschern eingebrachten Kugeln gelangten in solche Muskeln. Anschließend überwachten die Forscher die Nanokristalle mit einem winzigen Fluoreszenz-Lesemikroskop, während das Mahlwerk aktiviert wurde.
Dies ermöglichte es dem Team, Veränderungen der lumineszierenden Molekülspektren zu messen, wenn der Wurm sein Mahlwerk betätigte. Mithilfe dieser Veränderungen konnten sie dann berechnen, wie viel Energie der Schleifmuskel des Wurms verbrauchte. Sie stellten fest, dass die Bisskraft etwa 10 µN betrug.
Das Forschungsteam kommt abschließend zu dem Schluss, dass ihre Arbeit zeigt, dass es möglich ist, die Kraftdynamik im Inneren von Lebewesen zu messen, was ihrer Meinung nach zu neuen Ansätzen für die Untersuchung interner biologischer Prozesse führen könnte.
Weitere Informationen:
Jason R. Casar et al., Aufwärtskonvertierende Mikromessgeräte offenbaren intraluminale Kraftdynamik in vivo. Natur (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08331-x
Andries Meijerink, Licht verwandelt winzige Kristalle in Kraftsensoren, Natur (2025). DOI: 10.1038/d41586-024-04103-9
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