Як вчені зважують бактерії та дріжджі: від мікроскопа до нанотехнологій

Клітина дріжджів важить близько 100 пікограмів, а бактерія кишкової палички — лише один пікограм, що у 60 мільйонів разів легше за піщинку. Здається неймовірним, що таку масу взагалі можна виміряти, адже звичайні кухонні ваги коливаються на рівні десятої частки грама, а клітина кишкової палички у 100 мільярдів разів легша за це значення.

У 1953 році двоє біологів з Університету Південного Іллінойсу вирішили зважити дріжджі, маючи лише мікроскоп, цукровий розчин та камеру. Частину фінансування вони отримали від пивоварні Anheuser-Busch. Дослідники використали просте рівняння ірландського математика Джорджа Стокса, написане сторіччям раніше. Стокс показав, як саме куля опускається через рідину, балансуючи між силою тяжіння та опором рідини.

Науковці встановили предметні скельця мікроскопа вертикально та зняли на плівку, як клітини дріжджів опускаються у цукровому розчині. Кадр за кадром вони вимірювали, наскільки опускається кожна крихітна сфера. Математичні розрахунки дали їм середнє значення 79 пікограмів на клітину. Дивовижно, але це число підтвердилося — сучасні експерименти з набагато досконалішими інструментами дають цифру близько 100 пікограмів.

Але дріжджі мають зручну сферичну форму, тоді як інші мікроби не такі слухняні. Кишкова паличка має форму паличок, тому у 2010 році вчені з Массачусетського технологічного інституту створили підвішений мікроканальний резонатор. Це порожня балка у формі літери U, що вібрує як гітарна струна. Всередині проходить канал з рідиною.

Коли бактерія проходить через канал, вібрація балки змінюється. Чим важча клітина, тим більша зміна. Вимірюючи цю зміну частоти, дослідники можуть обчислити масу клітини з точністю до фемтограма — у тисячу разів точніше за пікограм. Пристрій може утримувати одну бактерію та зважувати її повторно під час росту. При температурі 37 градусів Цельсія маленька клітина кишкової палички може рости на 0,06 пікограма за годину, велика додає близько 0,14 пікограма за той самий час. Коли дослідники виміряли 48 клітин, середня вага становила 0,55 пікограма.