Un groupe de recherche composé du professeur Takayuki Shibata et de ses collègues du Département de génie mécanique, Université de technologie de Toyohashi, a donné de plus grandes fonctionnalités à la microscopie à force atomique (AFM). Notre équipe de recherche a réussi la chirurgie mini-invasive des cellules vivantes en utilisant l'oxydation photocatalytique contrôlée dans un espace nanométrique et en visualisant des informations dynamiques sur les biomolécules intracellulaires. Cette technique proposée pour contrôler et visualiser le processus d'expression de la fonction cellulaire à un niveau élevé a un potentiel important en tant que système puissant de nanofabrication et de nanomesure pour résoudre le mystère de la vie.

Une compréhension intégrée des phénomènes de la vie et leur contrôle sont absolument essentiels pour le développement ultérieur des domaines médicaux et pharmaceutiques. La thèse pour créer l'innovation du vivant est de résoudre la structure et la fonction de biomolécules telles que les génomes, protéines, et les chaînes de sucre et résolvent également la fonction des cellules, qui sont l'unité de base de l'activité vitale. Par conséquent, nous visons à établir une technologie de chirurgie mini-invasive pour cibler les cellules vivantes à un niveau moléculaire (la main de Dieu pour manipuler la fonction des cellules) et visualiser les changements dans le comportement dynamique des biomolécules intracellulaires et l'état de la protéine membranaire cellulaire à un seul niveau moléculaire (l'œil de Dieu pour voir la fonction des cellules), et ainsi fournir une plateforme innovante de nanofabrication et de nanomesure pour résoudre le mystère de la vie.

Ici, notre équipe de recherche a réussi à donner deux nouvelles fonctions à la microscopie à force atomique (AFM). La première avancée consiste à recouvrir l'apex de la pointe d'une sonde AFM d'un film mince d'oxyde de titane (TiO 2 ) appelé photocatalyseur. Par cette méthode, la réaction photocatalytique est localisée dans un espace à l'échelle nanométrique (région de 100 nm) à proximité de l'apex de la pointe pour obtenir une perforation minimalement invasive de la membrane cellulaire. Par conséquent, la probabilité de perforation de la membrane cellulaire atteint 100%, et une viabilité cellulaire de 100% est également atteinte avec succès, nous permettant de vérifier qu'une chirurgie mini-invasive peut être réalisée. La deuxième avancée consiste à insérer l'apex d'une sonde AFM recouverte de nanoparticules d'argent (Ag) dans une cellule vivante. Nous avons ainsi réussi à acquérir un spectre Raman sensible provenant des protéines, ADN, lipides, etc. (Spectroscopie Raman améliorée, TER). Par cette méthode, une différence dans le rapport des biomolécules entre le noyau et le cytoplasme d'une cellule a été visualisée en tant qu'information à l'intérieur d'une cellule, et il a été constaté qu'il existe une corrélation inverse (un phénomène qui, à mesure que l'on augmente, l'autre diminue) entre les protéines et le glycogène (également appelé amidon animal) sous forme de changements temporels dans les biomolécules à l'intérieur des cellules.

Afin de réaliser simultanément des fonctions de nanofabrication et de nanomesure, nous établirons une fonction spectroscopique Raman à pointe améliorée (TERS) en revêtant la surface d'un TiO ² -sonde AFM fonctionnalisée avec des nanoparticules d'Ag dans le futur. Cette fonction pourra visualiser le processus des réactions de dégradation de substances organiques basées sur l'oxydation photocatalytique (modifications des structures moléculaires) au cours du processus de chirurgie cellulaire. Nous viserons également à obtenir un moyen de mesurer une molécule unique dans une protéine de membrane cellulaire cible en utilisant la capacité de reconnaissance moléculaire élevée d'une réaction antigène-anticorps, et nous viserons à établir une technique de nanofabrication sélective pour une seule molécule dans la protéine membranaire cible identifiée par les moyens ci-dessus. On s'attend à ce que cette technique proposée puisse résoudre les mécanismes des fonctions vitales et être appliquée à des travaux tels que le développement de nouveaux médicaments.