Vejer enkelte molekyler med lys

Forskere ved Oxford University har udviklet en lysbaseret måleteknik, der kan transformere vores evne til at karakterisere biomolekyler.

Ved hjælp af et mikroskop, der registrerer lysspredning i stedet for fluorescens, forskerne har demonstreret, at enkelte molekyler kan observeres, og deres masse målt, i løsning.

Forskningen, udført i samarbejde med institutioner i Tyskland, Sverige, Schweiz og USA, er rapporteret i journalen Videnskab .

Seniorforfatter professor Philipp Kukura, fra Oxfords Institut for Kemi, sagde:'Denne forskning er kommet ud af et årti med arbejde, der involverede at lave et stadig mere følsomt lysmikroskop.

'Enkeltmolekyler er blevet observeret i lysmikroskoper siden slutningen af ​​1980'erne, men stort set alle optiske teknikker er afhængige af fluorescens, som er emission af lys fra et materiale efter at være "spændt" ved absorption af elektromagnetisk stråling. Så enormt kraftfuld som det er, det er ikke universelt. '

Forskerne demonstrerede først brugen af ​​lysspredning til at visualisere individuelle proteiner - biomolekyler kun få nanometer på tværs - i 2014. Men det var først sidste år, at de var i stand til at forbedre billedkvaliteten tilstrækkeligt til at konkurrere med fluorescens.

Professor Kukura sagde:'Vi behandlede derefter spørgsmålet om, hvorvidt vi kunne bruge vores visualiseringsmetode til at kvantificere, frem for bare at opdage, enkelte molekyler. Vi indså, da biomolekylers volumen og optiske egenskaber skaleres direkte med masse, at vores mikroskop skal være massefølsomt. Dette viste sig faktisk at være tilfældet, ikke kun for proteiner, men også for molekyler, der indeholder lipider og kulhydrater. '

Det er denne generalitet, der ophidser forfatterne. Professor Justin Benesch fra Oxfords afdeling for kemi, en ekspert i massemåling og medforfatter til værket, sagde:'Massens skønhed er, at det både er materiens universelle egenskab og ekstremt diagnostisk for det undersøgte molekyle. Vores tilgang er derfor bredt anvendelig og, i modsætning til traditionel enkeltmolekylmikroskopi, er ikke afhængig af tilføjelsen af ​​etiketter for at gøre molekyler synlige. '

Forskerne siger, at teknikken-som de kalder interferometrisk spredningsmassespektrometri (iSCAMS)-kan have applikationer lige fra undersøgelser af protein-protein-interaktioner til opdagelse af lægemidler og endda point-of-care diagnostik.

Professor Kukura sagde:'iSCAMS har mange fordele. Den måler masse med en nøjagtighed tæt på den for state-of-the-art massespektrometri, som er dyr og fungerer i vakuum - ikke nødvendigvis repræsentativ for biologiske systemer - hvorimod iSCAMS gør det med kun en meget lille mængde prøve og fungerer i stort set ethvert vandigt miljø. '

Professor Benesch tilføjede:'Dette muliggør mange af de ting, forskere ønsker at kvantificere:interagerer visse molekyler og, hvis ja, hvor tæt? Hvad er proteinets sammensætning med hensyn til hvor mange stykker det indeholder, og hvordan vokser eller falder det fra hinanden? '

Fordi stort set enhver fysiologisk og patologisk proces styres af biomolekylære interaktioner i opløsning, forskerne siger, at denne teknologi har en betydelig potentiel indvirkning. Professor Kukura sagde:'Den universelle anvendelighed, kombineret med, at instrumenterne er tæt på skoæske størrelse, kan betjenes let, og give brugeren mulighed for at se molekylerne i realtid, er enormt spændende. '

Teamet er i færd med at kommercialisere teknologien for at give adgang til andre forskere, der ikke er eksperter eller måske ikke engang bruger optisk mikroskopi. Forskerne siger:'Det har potentiale, vi tænker, at revolutionere, hvordan vi studerer biomolekyler og deres interaktioner. '

Papiret 'Quantitative mass imaging of single biologiske makromolekyler' vil blive offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .