למיקרוסקופיית אור ואלקטרונים יש מגבלות מובחנות. מיקרוסקופיית אור מקשה על פיתרון תכונות קטנות וקטנות יותר, ומיקרוסקופיית אלקטרונים פותרת מבנים קטנים, אך יש להכין בקפדנות את הדגימות, ולהרוג כל דגימות חיות.
מיקרוסקופיית כוח אטומית (AFM) היא טכניקה שפותחה במקור כדי להעריך את התכונות הפיזיות והמכניות של חומרים ברזולוציות גבוהות במיוחד, אך מהירויות ההדמיה אינן מהירות מספיק (למשל מספר דקות לכל מסגרת) כדי לתפוס נתונים רלוונטיים לדגימות ביולוגיות חיים. לעומת זאת, שיטה אחרת, AFM במהירות גבוהה (HS-AFM), מהירה אך אינה יכולה למדוד תכונות מכניות. הבנת הפוטנציאל של סוג זה של מיקרוסקופיה לניתוח מולקולות ומיקרואורגניזמים גדולים, חוקרים מהמכונים הלאומיים למדעי הטבע (NINS) ואוניברסיטת נגויה יצרו טכניקה חדשה, מיפוי כוח גבוה במהירות גבוהה (HS-IFM), לרכוש מדידות כוח מכניות דינאמיות במהירות וברזולוציה הנדרשות למדגמים ביולוגיים חיים. הקבוצה-כריסטיאן גנסר, שיגטאקה נישיגוצ'י, פנג-יוה צ'אן וטאקאוקי אוצ'יהאשי-בחרו בחיידקים הנפוצים Escherichia coli ללמוד תחילה בפרטים כה חסרי תקדים.
החוקרים פרסמו את המחקר שלהם בגיליון 29 בינואר של התקדמות מדעיתו
אמנם ברור כי אינפורמטיבי ללמוד דגימות 'סטטיות', כמו חיידקים שאינם בחיים, אך התבוננות באורגניזם החי מאפשרת לנו לעקוב ישירות אחר שינויים במהלך חיי האורגניזם, אשר מתאפשרים בטכניקה שלנו. Escherichia coli נהדרים להפגין השפעות כאלה מכיוון שהן נלמדות היטב. למרות זאת, השינויים המכניים הדינמיים המתרחשים ב א. קולי ברמה הננומטרית … הישאר חמקמק. "
כריסטיאן גנסר, עוזר פרופסור, מרכז מחקר חקר לחיים ומערכות חיים (מצטיינות) בנינס, אוקזאקי, יפן
בְּמַהֲלָך א. קולי החוקרים צפו בחלוקת תאים, הגברת ההתקשרות המכנית של אתר חלוקת התאים. החוקרים משערים שהתקשורת זו יכולה להיות כתוצאה ממתח ממברנה מקומית ועיבוי דופן התא המקומי. "אתר החלוקה הופך להיות נוקשה בהרבה מהתא שמסביב, רומז על לחץ פנימי גדול הנדרש כדי לעוות את הממברנה ולהפריד בין התאים", אמר גנסר.
במהלך החלוקה, הממברנה יצרה גם גשרים גלויים בין שני תאי הבת שנמתחו ובסופו של דבר נשברו. היצירה והשבירה הסופית של גשרים אלה נמשכו בממוצע 242 שניות ± 99 שניות (ממוצע ± סטיית תקן) ונצפה שבע פעמים. תהליך החטיבה כולו מסופק כסרטון משלים בגרסה המקוונת של עבודת המחקר.
הצוות צפה גם בנקודה חלשה, בקוטר פחות מ 100 ננומטר, בחלוקה א. קולי תא שקרע וגרם לדיכאון תאים ומוות. מעניין לציין כי התא המתפוצץ גרם לדיכאון של תאי הבת השמאלית והימנית, מה שמצביע על כך שהתאים לא הופרדו לחלוטין באופן פנימי. תצפית זו מצביעה על כך ש- HS-IFM עשוי להועיל בקביעת העיתוי של צעדים שונים במהלך חלוקת א. קולי וחיידקים אחרים.
HS-IFM מאפשר לחוקרים למדוד גם טופוגרפיה ברזולוציה גבוהה וגם תכונות מכניות ממברנות. במהלך חלוקת פרנסה א. קולי התא, החוקרים צפו בחורי ממברנה גלויים הנמצאים שוב ונמצאים רפורמה ומפוזרים על פני הממברנה. הצוות שיער כי מבני חור דינאמיים אלה עשויים להיות קשורים להיווצרות שלפוחית הממברנה החיצונית, אשר מדווחים שהם תכופים יותר במהלך חלוקת התאים וסביב דפנות התא החדשות המתפתחות בין תאי הבת במהלך חלוקת תאי החיידקים. הנקבוביות יכולות להיות גם מתחמי חלבון חיצוניים-ממבריים הממוקמים על פני החיידקים, אך קוטר הנקבוביות המדוד של 34.7 ננומטר ± 11.8 ננומטר (1 ננומטר = 1 x 10-9 מ) גדול משמעותית מהדיווחים הקודמים על קוטר מורכב החלבון, שהוא בערך 8 ננומטר.
צוות המחקר מכיר בפוטנציאל הגדול של טכניקת HS-IFM לחקר מגוון רחב של דגימות ואורגניזמים ביולוגיים, כולל א. קוליו גנסר אמר כי "בעתיד) נשתמש בטכניקה שלנו כדי ללמוד את ההשפעה הדינאמית והמקומית של גירויים חיצוניים, (כמו) אנטיביוטיקה, לתכונות הננו -מכניות של ממברנות של חיידקים חיים. החוקרים גם רואים את השימוש ב- HS-IFM כדי לחקור את התכונות הננו-מכניות החולפות של פולימרים. באופן אידיאלי, הצוות יגדיל את המהירות והרזולוציה של הטכניקה כדי לתפוס חזותית את התכונות המכניות של מולקולות קטנות כמו חלבונים בודדים.
המחברים המשותפים של עבודת המחקר הם שיגטאקה נישיגוצ'י ממרכז המחקר לחקר חיים ומערכות חיים במכונים הלאומיים למדעי הטבע באוקזאקי, יפן; פנג-יואה צ'אן מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת נגויה בנגויה, יפן; וטקייוקי אוצ'יהאשי ממרכז המחקר לחקר מערכות חיים ומערכות חיים במכונים הלאומיים למדעי הטבע והמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת נגויה.
מחקר זה נתמך על ידי מספר המענק של JSPS KANEHI מספר JP23H04874 במענק באזורי מחקר טרנספורמטיבי "מדע חומרים של המזו היררכיה" ו- 24K01309, 22K18943; מאת JST, מספר המענק של Crest JPMJCR21L2, יפן; וקידום MEXT של פיתוח פרויקט שימוש/מערכת מחקר משותפת: קואליציה של אוניברסיטאות לתכנית מצוינות מחקרית (CURE) מספר מענק JPMXP1323015482.