Opløsning af molekyleinformation i dynamisk lipidmembran med metaoverflader

Påvisning af biomolekyler, såsom lipider, proteiner, og nukleinsyrer og deres interaktioner i heterogene biologiske prøver er afgørende for at forstå en lang række biologiske mekanismer i sundhed og sygdom. For eksempel, molekylær signalering og transport i celler er styret af association og indsættelse af proteiner med cellelipidmembranen. Imidlertid, nuværende mærkefri teknikker kæmper for at differentiere proteinindsættelse, kemisk frigivelse og membranafbrydelsesprocesser, og tvinger således eksperimentalister til at stole på flere teknikker, der normalt kræver forskellige eksperimentelle indstillinger. Det er derfor vigtigt at udvikle nye biosensorer med høj følsomhed og selektivitet, der er i stand til at udnytte den kemiske signatur af forskellige biomolekylære arter for at muliggøre undersøgelse af komplekse multi-analyt-interaktioner.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , forskere ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz) og deres kolleger fra USA introducerer en mid-infrarød biosensor baseret på en ny multi-resonant metasurface, hvilken, for første gang, er i stand til ikke-destruktivt at skelne flere analytter i heterogene biologiske prøver, i realtid og med høj følsomhed. Den nye sensor opnår dette ved at få adgang til den særskilte kemiske fingeraftryksinformation fra proteiner, lipider, peptider, eller andre biokemiske og tillader samtidig og uafhængig overvågning af deres interaktionsdynamik. I særdeleshed, undersøgelsen viser, at sensoren spektroskopisk kan løse interaktionen mellem biomimetiske lipidmembraner med forskellige peptider samt dynamikken i vesikulær lastfrigivelse. Disse er biologisk vigtige massekonserverende processer, der er utilgængelige for standard etiketfri teknikker, uanset deres følsomhed.

Påfaldende nok, sensoren kan løse interaktionen af ​​lipidmembraner med et giftigt poredannende peptid såsom melittin, både i understøttede membraner og overfladebundne vesikler fyldt med neurotransmittermolekyler. Undersøgelsen viser overvågning af melittin-induceret membranafbrydelse og neurotransmitter-lastfrigivelse fra sådanne synaptiske vesikel-efterligninger i realtid, med monolagsfølsomhed, og uden mærkning. Disse vigtige proof of concept-eksperimenter baner vejen for at anvende disse biosensorer til at undersøge de molekylære mekanismer, der ligger til grund for vigtige processer, der er blevet forbundet med menneskelige sygdomme, sådan poredannelse og membranafbrydelse induceret af proteinaggregering i neurodegenerative sygdomme, såsom Alzheimers og Parkinsons sygdom.

Den nye biosensor repræsenterer et kraftfuldt værktøj til differentiering, identifikation og samtidig undersøgelse af interaktioner mellem forskellige biologiske arter i komplekse prøver, som adresserer de klare mangler ved nuværende etiketfri teknikker. Desuden, det kan implementeres til at analysere et væld af multi-analyt biologiske systemer, åbning af spændende anvendelsesmuligheder inden for forskellige områder lige fra fundamental biologi til udvikling af farmaceutiske lægemidler.