Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Aekbote, Badri Lakshmanrao Dér, András Fábián, László Kelemen, Lóránd Oroszi, László Rakovics, Vilmos Tóth, Boconádi Rudolf Valkai, Sándor
Starting date
2008-04-01
Closing date
2011-04-30
Funding (in million HUF)
43.963
FTE (full time equivalent)
11.70
state
closed project
Summary in Hungarian
Az optikai mikromanipuláció a fizika, biológia, biotechnológia ígéretes kísérleti eljárása. E munkaterv a módszer lehetőségeinek a kiterjesztését tervezi speciális alakú testek segítségével, amelyeket fényre keményedő polimerek fotopolimerizációjával állítunk elő. A struktúrákat két fő területen tervezzük használni. Ha optikai csipeszben speciális alakú testet ragadunk meg, eddig nem hozzáférhető szabadsági fokuk is kontrollálható, ez újfajta manipulációs lehetőségeket nyújt. Mikroszkopikus szerszámok készíthetők melyekkel biológiai rendszereket új módon lehet manipulálni. Általunk készített eszközökkel forgatunk egyes biopolimereket, jellemezzük torziós tulajdonságaikat. Mikrométeres bonyolult alakú szerszámokat építünk, ezeket megfelelően alakított fénynyalábokkal mozgatjuk, velükl sejteket manipulálunk, pl. lyukat fúrunk membránjukba, stb. Az optikai csapdázás technikáját és a struktúra építést párhuzamosan fejlesztjük. Az optikai mikromanipulációt kiterjesztjük a modern biotechnológia technológiai platformját képező mikrofluidikára is. Összetett mikrofluidikai rendszerek építését tervezzük fotopolimerizációval, és ezekben optikai manipulációt, optikai meghajtást tervezünk alkalmazni. A fluidikai és optikai komponenseket egységes struktúrákban integráljuk. Az alakzatok optikai tulajdonságainak a jellemzésével megvizsgáljuk a lehetőségét fénnyel hajtott integrált optikai eszközök előállításának. Ugyancsak részletesen jellemezzük a folyadék fénnyel való mozgatásának lehetőségeit, korlátait. Reményeink szerint az új eljárások eredményeket szolgáltatnak a biológiában, és később alkalmazást nyernek biológiában, biotechnológiaában és a fotonikában.
Summary
Optical micromanipulation offers great possibilities in fundamental research in physics, biology, and biotechnology. This project plans the extension of the possibilities of optical manipulation in biology by the use of special structures built by photopolymerisation of light curable resins. The special structures would be used in two major areas: First, if special structures are grabbed in optical tweezers, additional degrees of freedom can be controlled making new manipulation procedures possible. Microscopic tools can be fabricated to manipulate biological objects in new ways. We will build and use optically actuated tools that rotate single biopolymers, characterize torsional properties. Micrometer size complex shaped devices will be built and controlled by novel tailored beam optical tweezers, to manipulate cells, like drill holes into cell membranes, etc. The optical trap arrangement and structure building will be developed together. We will also extend optical manipulation to microfluidics, the technology platform of modern biology, biotechnology. We plan to build complete microfluidics systems by photopolymerisation, where optical activation, optical manipulation will be employed. Fluidic and optical components will be integrated into single photopolymerised structures. The necessary studies of the optical properties will determine the possibilities of building integrated optically activated systems. The characteristics and limits of fluid manipulation by light will be explored. The project aims to introduce new tools for biology, with promise in photonics, biological basic science and will hopefully generate a new potent toolkit for biotechnology.
Final report
Results in Hungarian
A projekt új lézercsipesz laboratórium kiépítését finanszírozta. Fő fejlesztés egy fény térmodulátorral (Spatial Light Modulator -SLM) felszerelt lézercsipesz megépítése. Ezzel tetszőlegesen sok csapda független egyidejű programozására van lehetőség. Új litográfiás berendezést is beszereztünk, ezzel mikrofluidikai eszközöket és integrált optikai elemeket készítünk. Az új laboratóriumban új típusú optikai mikromanipulációs kísérleteket végeztünk. Bonyolult alakú teszt objektumokkal összetett mozgásokat lehet megvalósítani. Négy típusú kutatást folytattunk: 1. A torziós manipulációs lehetőséget kihasználva DNS molekula csavarási tulajdonságait viszgáltuk. 2. A fotopolimerizációs struktúra építést és az új lézercsipeszt kihasználva új vizsgálati eszközöket készítettünk, mint mikroviszkozitásmérő, optikai mikromanipulátor. Modellrendszert alkottunk biológiai mozgások modellezésére: Kísérletileg kimutattuk és jellemeztük a hidrodinamikai szinkronizáció jeléenségét. 3. A folyadék mozgatásának fénnyel való vezérlését továbbfejlesztettük, a folyadék áramlási mintázatának fénnyel való változtatását oldottuk meg mikrofluidikai csatornában. 4. Integrált optikai elemeket készítettünk fotopolimerizációval mikrofluidikai alkalmazásra. Nagy érzékenységű interferometrikus szenzort készítettünk, ezt intermolekuláris reakciók jellemzésére, illetve optoelektronikai logikai áramkörök építésére alkalmaztuk.
Results in English
The project supported the development of a new optical tweezers laboratory. The main development was the building of optical tweezers based on a Spatial Light Modulator (SLM). With this there is possibility to independently program an arbitrary number of optical traps. We also purchased a new photolythography device, this supportsthe building of microfluidics elements and integrated optical parts. In the new laboratory we performed novel optical manipulation experiments.We can realise complicated motions with test objects of complex shape. We worked on four types of experiments: 1. Using the possibility to rotate the trapped objects, we performed torsional manipulation experiments on DNA molecules. 2. Applying the photopolymerisation technique and the new optical tweezers we developed new experimental methods, like microviscosimeter, optical micromanipulator. We also created a model system to mimic biological motions. We experimentally demonstrated and characterised the phenomenon of hydrodynamic synchronisation. 3. We further developed the optical control of fluid flow: we realised the opticaal change of flow pattern in a microfluidics channel. 4. We built integrated optical elements for microfluidics applications. We built a high sensitivity interferometric sensor, and we used this to follow intermolecular interactions and to create optoelectronic logical circuit elements.
Oroszi L. Dé r A, Kirei H., Rakovics V., Ormos P: Manipulation of microfluidic flow pattern by optically controlled electroosmosis, Microfluidics and Nanofluidic, vol.8 565-569, 2009
Rodrigo PJ, Kelemen L, Palima D, Alonzo CA, Ormos P, Glukstad J: Optical microassembly platform for constructing reconfigurable microenvironments for biomedical studies, Optics Express 17:(8) 6578-6583, 2009
Valkai Sándor; Oroszi, László; Ormos, Pál: Optical tweezers with tips grown at the end of fibers by photopolymerization, Applied Optics 48 2880-2883, 2009
Fabian L, Wolff EK, Oroszi L Ormos P, and Dér A: Fast integrated optical switching by the protein bacteriorhodopsin, Applied Physics Letters, vol 97, 23305, 2010
Dér A, Valkai S, Mathesz A, Andó I, Wolff EK and Ormos P.: Protein-based all-optical sensor device, SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL vol 151. 26-29, 2010
