Brug af kvanteforviklinger til at studere proteiner

For første gang, en kemiker fra University of Michigan har brugt kvantesammenfiltring til at undersøge proteinstrukturer, en proces, der kun kræver et meget lille antal fotoner af lys.

Traditionelt, forskere har brugt kraftige laserscanningsmikroskoper til at studere proteiner på molekylær skala. Men traditionelle lasere giver to problemer. Først, intensiteten af ​​laseren kan beskadige den undersøgte prøve. Sekund, laseren sprænger prøven med fotoner, som så spredes væk fra målet.

I stedet, U-M professor i kemi Theodore Goodson og hans teams metode til at bruge kvantesammenfiltring bruger kun et lille antal fotoner til at lære om molekyler. I dette tilfælde, holdet studerede flaviner, en gruppe enzymer, der er afgørende for energiomsætningen i kroppen.

Kvantesammenfiltring er ideen om, at egenskaberne af et par eller en gruppe af partikler afhænger af hinanden, også selvom partiklerne er adskilt af store afstande. For eksempel, hvis en partikel snurrer med uret, den anden i sit par vil dreje den modsatte vej, hvis de er viklet ind. Dette forhold fortsætter, selvom partiklerne er tusindvis af kilometer væk, sagde Goodson.

"Det viser sig, at hvis du har fotoner, der er viklet ind, at høj grad af korrelation kan interagere med molekyler af proteiner på en anden måde, end hvis de ikke er viklet ind, " sagde Goodson. "Vi er i stand til at sondere proteinernes egenskaber med ekstremt lille antal fotoner."

Sammenfiltrede fotoner produceres ved at sende laserlys gennem en krystal, der ikke er større end spidsen af ​​en negl. Når lyset bevæger sig gennem krystallen på en bestemt måde, nogle af fotonerne bliver viklet ind. Disse sammenfiltrede par bruges derefter til at undersøge målmolekylerne.

Disse fotoner exciterer elektroniske tilstande i proteinet. Baseret på den elektromagnetiske stråling, udsender molekylet, når det exciteres af fotonerne, Goodson kan bestemme specifikke egenskaber ved molekylet, en metode kaldet spektroskopi.

Antallet af fotoner, der kræves til sammenfiltret fotonspektroskopi, er ekstraordinært lavt sammenlignet med traditionelle laserspektroskopiske metoder.

"Kan du forestille dig at lave en undersøgelse, hvor du kan bruge 10 størrelsesordener færre fotoner til at undersøge de særlige egenskaber ved et materiale, biologisk prøve, eller meget lille mængde af et kemikalie på en overflade?" sagde Goodson.

Ved at bruge denne metode, Goodson og hans team var i stand til at se en ny interaktion inden for et flavinprotein. Ser man på flavoproteiner, holdet var i stand til at se forskelle i deres spektroskopi ved hjælp af kvanteforviklinger sammenlignet med at bruge klassisk lys.

Metoden åbner nye veje til billedmikroskopi, sagde Goodson. At se sammenfiltrede fotoner interagere med molekyler i proteiner kan lære videnskabsmænd noget nyt om disse molekylers elektroniske tilstande.

"For eksempel, i fotosyntese, når fotoner giver energi til det fotosyntetiske reaktionscenter, mekanismen for denne effekt kunne forstærkes ved at bruge kvantelys, " sagde han. "Med en sammenfiltret foton-excitationsproces, det kan være muligt at optimere og forbedre energioverførselsprocesserne i biologiske systemer. Dette kan føre til ny information om de kemiske og biologiske processer i disse naturligt forekommende biologiske komplekser."

Næste, gruppen håber at studere egenskaberne af organiske og biologiske molekyler ved hjælp af sammenfiltrede fotoner i et mikroskop. Studiets medforfattere inkluderer Juan Villabona-Monsalve og Oleg Varnavski i U-M Department of Chemistry og Bruce Palfey i U-M Department of Biological Chemistry.