pinças Óticas e algumas aplicações em biologia celular

NATHAN BESSA VIANA

UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro– Rio de Janeiro – Brasil

Pinças Óticas e Algumas Aplicações em Biologia Celular

Laboratório de Pinças Óticas - 2011

Resumo1) Considerações sobre linguagens;

2) Pinças óticas;

3) O Laboratório de Pinças Óticas da COPEA;

4) Amarras de membrana;

5) Módulo de Young da cápsula do fungoCryptococcus neoformans.

Laboratório de Pinças Óticas - 2011

Nós falamos…

Laboratório de Pinças Óticas - 2011

Two households, both alike in dignity,In fair Verona, where we lay our scene,From ancient grudge break to new mutiny,Where civil blood makes civil hands unclean.From forth the fatal loins of these two foesA pair of star-cross'd lovers take their life;Whose misadventured piteous overthrowsDo with their death bury their parents' strife.The fearful passage of their death-mark'd love,And the continuance of their parents' rage,Which, but their children's end, nought could remove,Is now the two hours' traffic of our stage;The which if you with patient ears attend,What here shall miss, our toil shall strive to mend.

O mundo fala…

William ShakespeareRomeu and Juliet

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“Fisiquês…”

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“Biologês…”

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Desafio…

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LUZ

Transporta energia

Rio de Janeiro, Brasil

LUZ

Transporta momento

Johannes Kepler, 1619

Exercer forças utilizando luz?

Jornada nas Estrelas – raio trator

Pinças óticas

•I – iluminação;

•AA – amostra de água;

•ED – espelho dicróico;

•SD – sistema de detecção;

•LO – lente objetiva;

•CCD – câmera;

Laser

CC

DMotor XY

LO

I

AA

SD

ED

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Amostras

água

vidro

h

Pinças óticas

Diâmetro ~5 µm

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Pinças óticas

Pinças óticas

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Pinças óticas

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Ótica geométrica (OG)

Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

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Pinças óticas

Uma pinça ótica é obtida quando a força de gradiente(refração em OG) é maior que a pressão de radiação

(reflexão in OG)

Isso acontece no foco de uma lente degrande abertura numérica (uma

objetiva de microscópio)

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Pinças óticas

k

x!

Mola

Conceitualmente equivalentes

xkF != (10-12N – escala de força)

Pinça ótica

x!

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Como desenvolver uma teoria de pinças óticas?

Precisamos saber como a luz interage com esferas dielétricastransparentes;

Precisamos descrever corretamente o efeito sofrido pelo feixe deluz ao passar por uma lente de microscópio (grande aumento e

resolução) ;

C. F. Bohren and D. R. Huffman, Absorption and Scattering of light by small particles (Willey, NY,1983) - Mie scattering

P. Debye, Ann. Phys., Lpz., 30, 755 (1909)B. Richards and E. Wolf, Proc. R. Soc. Lond. A 253, 358 (1959)

Teoria Mie-Debye (MD): sem parâmetros ajustáveis, fornececorretamente o resultado no limite de ótica geométrica;

A. Mazolli, P. A. Maia Neto, and H. M. Nussenzveig, Proc. R. Soc. London A 459,3021 (2003)

Calibração

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Constante elástica

mah µ3+= mah µ15+=

• Viana NB, Rocha MS, Mesquita ON, Mazolli A, Neto PAM, Nussenzveig HM, PRE, 75(2), #021914;• Viana NB, Mazolli A, Rocha MS, Mesquita ON, Neto PAM, Nussenzveig HM, APL, 88(13), #131110; • Viana NB, Rocha MS, Mesquita ON, Mazolli A, Neto PAM, Nussenzveig HM, PRE, 75(2), #021914;

a = 0.264 mm

Salto em posições de equilíbrio

Longe da lamínula: diversos pontos deequilíbrio local, armadilha não estável no

limite de partículas submicrométricas.

• Viana NB, Mazolli A, Rocha MS, Mesquita ON, Neto PAM, Nussenzveig HM, APL, 88(13), #131110; • Viana NB, Rocha MS, Mesquita ON, Mazolli A, Neto PAM, Nussenzveig HM, PRE, 75(2), #021914;

Pinças óticas

Aplicações

Efeito de aberrações primáriasem pinças óticas

Rafael de Souza Dutra - doutorado

Pinças óticas

Sistemamicrométrico deposicionamento

Sensor de forçana escala de pN

Principais aplicações

• Elasticidade de moléculas únicas;• Elasticidade celular;• Medida da viscosidade de soluções

aquosas;• Tempo de adesão;

Encontro de Física 2011 – Foz do Iguaçu

LPODepartamento de Anatomia, sala F1-028

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Projetos - LPOLaboratório de Pinças Óticas - 2011

Cell membrane and cytoskeleton properties

Tether extraction

B. Pontes et al., submitted to Biophysical Journal

Extração de amarrasBarra de escala: 10 µm

Propriedades físicas – membrana e citoesqueleto

Propriedades físicas – membrana e citoesqueleto

B. Pontes et al., submitted to Biophysical Journal

Extração de amarras

B. Pontes et al., submitted to Biophysical Journal

Raio da amarra (R)

Propriedades físicas – membrana e citoesqueleto

Citoesqueleto de actinaB. Pontes et al., European Biophysics Journal, (37), 121-129 (2008)

Propriedades físicas – membrana e citoesqueleto

B. Pontes et al., submitted to Biophysical Journal

Amarra possui actinapolimerizada em seu interior!

Propriedades físicas – membrana e citoesqueleto

B. Pontes et al., submitted to Biophysical Journal

Tensão superficial é influenciada pela presença de actina.Células de linhagem, fibroblastos NIH3T3

( ) mNControle /107.09.5 5!"±=#

( ) mNCytoD /101.03.1 5!"±=#

Tensão superficial

Propriedades físicas – membrana e citoesqueleto

S. Frases et al., Biophysical Journal, (97), 937-945 (2009)

Cápsula do Cryptococcus – agente patogênico

Propriedades físicas da cápsula do fungo Cryptococcusneoformans

S. Frases et al., Biophysical Journal, (97), 937-945 (2009)

Módulo de Young da cápsula (E)

Propriedades físicas da cápsula do fungo Cryptococcusneoformans

S. Frases et al., Biophysical Journal, (97), 937-945 (2009)

Propriedades físicas da cápsula do fungo Cryptococcusneoformans

Conclusions• Pinças óticas são instrumentos adequados para ainvestigação de propriedades mecânicas de células e demateriais moles;

• A tensão superficial da célula é influenciada pela presençade actina filamentar;

• Pela primeira vez foi determinado o módulo de Young dacápsula do fungo Cryptococcus neoformans;

• O módulo de Young da cápsula do fungo pode ser usadocomo sonda para estudar a arquitetura e patogenicidade dofungo.

Laboratório de Pinças Óticas - 2011

http://www.if.ufrj.br/~lpo

Muito obrigado!