Brug af guldpartikler til at gøre det usynlige synligt

Guld nanopartikler giver os en bedre forståelse af enzymer og andre molekyler. Biswajit Pradhan, Ph.d. kandidat ved Leiden Institute of Physics, bruger guld nanorods til at studere individuelle molekyler, som ellers ville være udfordrende at opdage. Den resulterende viden kan anvendes på mange forskningsfelter, såsom forbedring af solcelleeffektiviteten og fototerapi af kræft.

Organismer trives med snesevis af biomolekylære aktiviteter, hvor enzym spiller en vigtig rolle. For eksempel, de hjælper med at nedbryde stivelse til mindre sukkerarter. Andre enzymer spiller en vigtig rolle i nedbrydning af proteiner. For bedre at forstå disse aktiviteter, forskere bruger forskellige teknikker til at gøre de involverede molekyler synlige. Fluorescensmikroskopi er en af ​​de teknikker, der almindeligvis anvendes til dette.

Problemet, som videnskabsmænd nogle gange står over for, er, at nogle molekyler ikke kan detekteres, fordi de ikke udsender lys. Derfor, Pradhan arbejdede på en løsning. "Jeg fastgjorde enkelte molekyler til guld nanorods. Nanoroderne fungerer som meget små antenner ved at udsende lys, forstærkning af fluorescensen af ​​det vedhæftede molekyle. Dette gør os i stand til at studere enkelte proteiner eller andre komplekser, som ellers ikke kan påvises ved fluorescens."

Pradhan brugte guld nanorods til at studere enzymatisk aktivitet i azurin. Dette enzym kan findes i bakterier, spiller en rolle i denitrifikation. I denne proces, bakterier producerer nitrogen fra nitrat. Det er almindeligt accepteret, at aktiviteten af ​​enzymerne involveret i denne proces forbliver ufravigelig over små tidsskalaer. Imidlertid, Pradhan opdagede noget andet.

"Vi fandt ud af, at azurin viser dovne og travle perioder i sin aktivitet i løbet af få sekunder. Ligesom andre enzymer, azurin omdanner substrat til produkt. I de travle perioder, enzymet danner ofte produkter, mens det sjældnere i dovne perioder. Azurin ændrer sin aktivitet ved at ændre sit strukturelle arrangement. En sådan fleksibilitet i struktur kan være årsagen til dannelsen af ​​effektive enzymer under evolution. "

Azurin overfører elektroner mellem proteiner. Derfor, den kan bruges som en sensor til måling af redox-potentiale i en levende celle. Pradhan forklarer:"Energioverførsel i levende celler sker via overførsel af elektroner fra et biomolekyle til et andet. Til elektricitet i hjemmet, elektroner strømmer fra en ende med høj potentiale til en ende med lavt potentiale. Tilsvarende i celler, elektronoverførsel sker fra et protein til et andet protein i cellen med lavt potentiale. Redoxpotentialet er defineret som tendensen i proteinets omgivelse til at give eller acceptere en elektron. "

Pradhan udviklede en metode til at observere en enkelt azurin i aktion, mens elektronoverførsel sker. "Hastigheden, hvormed den udstøder og accepterer elektroner, giver et direkte estimat af det omgivende potentiale. Selvom vi ikke lavede en sensor, Jeg karakteriserede azurins elektronoverførselsegenskaber i mit speciale."

I et andet eksperiment, Pradhan brugte DNA som et værktøj til at kontrollere positionen af ​​enkelte molekyler nær guld nanorod meget præcist. "Hvis antallet af byggesten i en DNA-streng på hver streng er mindre end 50, så vil det dobbeltstrengede DNA opføre sig som en lige stang uden fleksibilitet. Forestil dig et reb på et par centimeter langt; du vil altid finde det lige. Hvis du øger længden af ​​rebet, begynder det at bøje og sno sig. Denne minimumslængde, over hvilken et reb eller en snor begynder at bøje, kaldes persistenslængde."

I sit eksperiment, Pradhan fastgjorde permanent et kort enkeltstrenget DNA til spidsen af ​​en guldnanorod. Så lod han komplementære DNA-strenge diffundere rundt om det. "Hver komplementær streng indeholder det enkelte molekyle, vi ønsker at undersøge. På grund af den svage binding af de korte DNA-strenge, bindingstiden er kort. Hver komplementær streng binder midlertidigt og erstattes derefter af en ny komplementær streng. Dette gjorde det muligt for os at studere enkelte molekyler på den samme nano-antenne. Denne teknik kan anvendes på mange forskningsfelter, såsom at forbedre solcelleeffektiviteten og fototerapi af kræft."

Den 3. april 2018 forsvarer Biswajit Pradhan sit speciale, "Fluorescens af enkelte kobberproteiner:Dynamisk lidelse og forbedring af en guld nanorod."