Вчені навчилися зважувати живі клітини з точністю до пікограма

Питання про те, скільки важить життя, може здатися дивним, але для біологів воно має цілком практичний сенс. Дріжджові клітини важать приблизно 100 пікограм кожна, а одна бактерія E. coli важить лише один пікограм — це у 60 мільйонів разів легше за піщинку.

Сам факт можливості таких вимірювань спочатку здається абсурдним. Звичайні кухонні ваги коливаються при вимірюванні десятої частки грама, а клітина E. coli у 100 мільярдів разів легша за це значення. Проте вчені змогли визначити ці числа з надзвичайною точністю.

У 1953 році два біологи з Південноілінойського університету вирішили зважити дріжджі. У них не було точних приладів — лише мікроскоп, цукровий розчин та камера. Частину фінансування надала пивоварня Anheuser-Busch, що було цілком доречним спонсорством для дослідження дріжджів.

Дослідники звернулися до простого рівняння, написаного століттям раніше ірландським математиком Джорджем Стоксом. Стокс показав, як саме сфера опускається через рідину, балансуючи між силою тяжіння та опором рідини. Якщо знати розмір сфери, в'язкість рідини та швидкість падіння, можна обчислити її масу.

Вчені встановили предметні скельця мікроскопа вертикально та зняли на плівку дріжджові клітини, що дрейфували вниз у цукровому розчині. Кадр за кадром вони вимірювали, наскільки далеко опускалася кожна крихітна сфера. Вони припустили, що клітини мають ідеально круглу форму — досить близько до реальності для дріжджів.

Математичні розрахунки дали їм середнє значення: 79 пікограм на клітину. Вражаюче, але це число витримало перевірку часом. Недавні експерименти з набагато досконалішими інструментами дають цифру близько 100 пікограм.

Цей подвиг фізики «на колінці» є досить вражаючим, але він не єдиний у своєму роді. Щось подібне було досягнуто ще в 1890 році, коли лорд Релей обчислив розмір однієї молекули олії, розподіливши краплю по воді та вимірявши, наскільки тонкою стала плівка. Його оцінка відрізнялася менш ніж на 20 відсотків від сучасного прийнятого значення.

Але дріжджові клітини зручно мають сферичну форму. Інші мікроби не такі поступливі. Бактерії E. coli за формою більше нагадують паличку. Якби їх кинути в цукровий розчин, це лише створило б турбулентність, зіпсувавши математичні розрахунки.

Тому в 2010 році вчені з Массачусетського технологічного інституту створили щось абсолютно нове: підвішений мікроканальний резонатор. Уявіть собі порожню балку, зігнуту у форму букви U, що вібрує як гітарна струна. Всередині проходить рідинний канал.

Коли бактерія проходить через канал, вібрація балки змінюється ледь помітно. Чим важча клітина, тим більша зміна. Вимірюючи цю зміну частоти, дослідники можуть обчислити плавучу масу клітини з точністю до фемтограма — у тисячу разів точніше за пікограм.

Ще краще те, що пристрій може утримувати одну бактерію та зважувати її неодноразово під час росту. При температурі 37 градусів Цельсія мала клітина E. coli може рости на 0,06 пікограма за годину, а велика росте швидше, додаючи близько 0,14 пікограма за той же час.

Коли дослідники виміряли 48 клітин, середня вага становила 0,55 пікограма.

Ці експерименти, розділені півстоліттям, мають спільний дух. Вони показують, як прості принципи — падаюча сфера, вібруюча балка — можуть бути використані для вимірювання невидимого.

Клітини можуть здаватися абстрактними одиницями життя. Але вони також є фізичними об'єктами з формами, об'ємами та вагою. Якщо думати про них саме так, вимірювання основної одиниці життя не здається таким складним завданням.

Розробка методів зважування окремих клітин відкриває нові можливості для розуміння біологічних процесів. Вчені можуть тепер спостерігати, як змінюється маса клітини під час ділення, росту або під впливом різних факторів середовища.

Ці дослідження демонструють, як творчий підхід та використання фундаментальних фізичних принципів дозволяють подолати технічні обмеження та досягти неймовірної точності вимірювань на мікроскопічному рівні. Від простих спостережень за падінням дріжджів у цукровому розчині до складних резонаторних систем — наука знаходить способи зробити невидиме вимірюваним.