Um grupo de pesquisa composto pelo Professor Takayuki Shibata e seus colegas do Departamento de Engenharia Mecânica, Toyohashi University of Technology, deu maiores funcionalidades à microscopia de força atômica (AFM). Nossa equipe de pesquisa obteve sucesso na cirurgia minimamente invasiva em células vivas usando a oxidação fotocatalítica controlada em um espaço em nanoescala e visualizando informações dinâmicas sobre biomoléculas intracelulares. Esta técnica proposta para controlar e visualizar o processo de expressão da função celular em alto nível tem um potencial significativo como um forte sistema de nanofabricação e nanomedição para resolver o mistério da vida.

Uma compreensão integrada dos fenômenos da vida e o controle dos mesmos são absolutamente essenciais para o futuro desenvolvimento dos campos médico e farmacêutico. A tese para criar inovação na vida é resolver a estrutura e função de biomoléculas, como genomas, proteínas, e cadeias de açúcar e também resolvem a função das células, que são a unidade básica para a atividade de vida. Portanto, pretendemos estabelecer uma tecnologia para cirurgia minimamente invasiva para atingir células vivas em um nível molecular (a mão de Deus para manipular a função das células) e visualizar mudanças no comportamento dinâmico de biomoléculas intracelulares e o estado da proteína da membrana celular em um único nível molecular (O olho de Deus para ver a função das células), e, assim, fornecer uma plataforma de nanofabricação e nanomedição inovadora para resolver o mistério da vida.

Aqui, nossa equipe de pesquisa conseguiu dar duas novas funções à microscopia de força atômica (AFM). O primeiro avanço é revestir o ápice da ponta de uma sonda AFM com uma película fina de óxido de titânio (TiO ₂ ) conhecido como fotocatalisador. Por este método, a reação fotocatalítica está localizada em um espaço em nanoescala (região de 100 nm) na vizinhança do ápice da ponta para atingir a perfuração minimamente invasiva da membrana celular. Como resultado, a probabilidade de perfuração da membrana celular chega a 100%, e uma viabilidade celular de 100% também é alcançada com sucesso, permitindo-nos verificar se a cirurgia minimamente invasiva pode ser realizada. O segundo avanço é inserir o ápice da ponta de uma sonda AFM revestida com nanopartículas de prata (Ag) em uma célula viva. Conseguimos, assim, adquirir um espectro Raman sensível originado na proteína, DNA, lipídios, etc. (Espectroscopia Raman Melhorada pela Ponta, TERS). Por este método, uma diferença na proporção de biomoléculas entre o núcleo e o citoplasma de uma célula foi visualizada como informação dentro de uma célula, e verificou-se que existe uma correlação inversa (um fenômeno que à medida que aumenta, a outra diminui) entre as proteínas e o glicogênio (também chamado de amido animal) como mudanças temporais nas biomoléculas dentro das células.

A fim de alcançar simultaneamente as funções de nanofabricação e nanomedição, vamos estabelecer uma função espectroscópica Raman com ponta aprimorada (TERS) revestindo a superfície de um TiO ² -funcionalizada sonda AFM com nanopartículas de Ag no futuro. Esta função será capaz de visualizar o processo de reações de degradação de substâncias orgânicas baseadas na oxidação fotocatalítica (mudanças nas estruturas moleculares) durante o processo de cirurgia celular. Teremos também como objetivo alcançar um meio para medir uma única molécula em uma proteína da membrana da célula alvo usando a alta capacidade de reconhecimento molecular de uma reação antígeno-anticorpo, e teremos como objetivo estabelecer uma técnica para nanofabricação seletiva para uma única molécula na proteína da membrana alvo identificada pelos meios acima. Espera-se que esta técnica proposta possa resolver os mecanismos das funções vitais e ser aplicada em trabalhos como o desenvolvimento de novos medicamentos.