Forskere udvikler den hidtil mest følsomme metode til at observere enkelte molekyler
Forskere ved University of Wisconsin-Madison har udviklet den hidtil mest følsomme metode til at detektere og profilere et enkelt molekyle - og låse op for et nyt værktøj, der rummer potentiale til bedre at forstå, hvordan stoffets byggesten interagerer med hinanden. Den nye metode kan få konsekvenser for så forskellige aktiviteter som lægemiddelopdagelse og udvikling af avancerede materialer.
Den tekniske præstation, beskrevet i denne måned i tidsskriftet Nature , markerer et betydeligt fremskridt inden for det spirende område med at observere individuelle molekyler uden hjælp af fluorescerende mærker.
Selvom disse mærker er nyttige i mange applikationer, ændrer de molekyler på måder, der kan skjule, hvordan de naturligt interagerer med hinanden. Den nye mærkefri metode gør molekylerne så lette at opdage, at det næsten er, som om de havde mærker.
"Vi er meget begejstrede for dette," siger Randall Goldsmith, en UW-Madison professor i kemi, der ledede arbejdet. "At fange adfærd på niveau med enkelte molekyler er en utrolig informativ måde at forstå komplekse systemer på, og hvis du kan bygge nye værktøjer, der giver bedre adgang til det perspektiv, kan disse værktøjer være virkelig kraftfulde."
Mens forskere kan hente nyttig information fra at studere materialer og biologiske systemer i større skalaer, siger Goldsmith, at observation af adfærden af og interaktioner mellem individuelle molekyler er vigtig for at kontekstualisere denne information, hvilket nogle gange fører til ny indsigt.
"Når du ser, hvordan nationer interagerer med hinanden, kommer det hele ned til interaktioner mellem individer," siger Goldsmith. "Du ville ikke engang tænke på at forstå, hvordan grupper af mennesker interagerer med hinanden, mens du ignorerer, hvordan individer interagerer med hinanden."
Goldsmith har jagtet de enkelte molekylers tiltrækningskraft, siden han var postdoktor ved Stanford University for mere end ti år siden. Der arbejdede han under kemikeren W.E. Moerner, som modtog Nobelprisen i kemi i 2014 for at udvikle den første metode til at bruge lys til at observere et enkelt molekyle.
Siden Moerners første succes har forskere rundt om i verden udtænkt og forfinet nye måder at observere disse små stykker stof på.
Metoden, som UW-Madison-teamet udviklede, er afhængig af en enhed kaldet en optisk mikroresonator eller mikrokavitet. Som navnet antyder, er mikrohulrummet et ekstremt lille rum, hvor lys kan fanges i både rum og tid – i det mindste i et par nanosekunder – hvor det kan interagere med et molekyle.
Mikrohulrum findes mere almindeligt i fysik- eller elektrotekniske laboratorier, ikke kemi-laboratorier. Goldsmiths historie med at kombinere koncepter fra forskellige videnskabelige områder blev anerkendt i 2022 med en Polymath-pris fra Schmidt Futures.
Mikrohulrum er bygget af utroligt små spejle, der er lavet lige oven på et fiberoptisk kabel. Disse fiberoptiske spejle hopper lyset frem og tilbage mange gange meget hurtigt i mikrohulrummet.
Forskerne lader molekyler vælte ind i hulrummet, lader lyset passere gennem det og kan ikke kun registrere molekylets tilstedeværelse, men også lære information om det, såsom hvor hurtigt det bevæger sig gennem vandet. Denne information kan bruges til at bestemme molekylets form eller konformation.
"Konformation på molekylært niveau er utrolig vigtig, især for at tænke på, hvordan biomolekyler interagerer med hinanden," siger Goldsmith.
"Lad os sige, at du har et protein, og du har et eller andet lille-molekyle-lægemiddel. Du vil se, om proteinet kan medicineres, hvilket vil sige:'Har stoffet en form for større interaktion med proteinet?' En måde du måske kan se det på er, hvis det introducerer en konformationsændring."
Der er andre måder at gøre det på, men de kræver store mængder prøvemateriale og tidskrævende analyser. Med den nyudviklede mikrohulrumsteknik siger Goldsmith:"Vi kan potentielt bygge et sort boks-værktøj til at give os svaret på ti sekunder."
Holdet, som omfattede Lisa-Maria Needham, en tidligere postdoc-forsker, som nu er laboratoriedirektør ved University of Cambridge, har indgivet patent på enheden. Goldsmith siger, at enheden og metoderne nu vil blive forfinet i løbet af de næste par år. I mellemtiden siger han, at han og hans samarbejdspartnere allerede tænker over de mange måder, det kan være nyttigt.
"Vi er begejstrede for mange andre anvendelser inden for spektroskopi," siger han. "Vi håber, at vi kan bruge dette som et springbræt til andre måder at lære om molekyler på."
Varme artikler
-
Bedre end Star Wars:Kemisk opdagelse giver 3-D bordobjekter, der er fremstillet af lysOpsætningen til SMU 3-D lyspuden indeholder denne ultraviolette projektor samt en synlig projektor. De to projekterer lysmønstre i et kammer med fotoaktiverbart farvestof. Uanset hvor UV-lyset krydser -
AlphaZero lærer at styre kvanteverdenenKredit:CC0 Public Domain Skakverdenen var forbløffet, da computeralgoritmen AlphaZero lærte, efter bare fire timer alene at slå de bedste skakprogrammer bygget på menneskelig ekspertise. Nu har en -
Interferens som en ny metode til køling af kvanteenhederEt mekanisk system er koblet til to elektromagnetiske hulrum og et varmebad, foreslås som en realisering. I denne model, de to systemer er også forbundet med deres egne varmebade. Kredit:Shabir Barzan -
Tynd linse med variabelt fokus designet til augmented og virtual reality-headsetForskere udviklede en meget tynd linse med en kontinuerligt indstillelig brændvidde og viste, at den kan hjælpe med at overvinde konflikter mellem vergens-akkommodation i et AR-system. Kredit:Yan Li,
- Forskerhold modellerer nye atomare strukturer af guldnanopartikler
- Norwegian skærer ned på væksten efter et turbulent år
- Forskere udvikler en ny måde at oxidere grafen på:Et skridt mod bedre elektronik
- Hvad sker der, når du blander sodavand med eddike til at blæse en ballon?
- Temperatursensor kan hjælpe med at beskytte mRNA-vacciner
- Mere beskyttelse:FN siger, at jordens ozonlag heler