Forskere adskiller protein-nanopartikel-interaktioner, foreslå vej til lægemiddel-sensing værktøj

Det er altid godt, når din intuition viser sig at være rigtig, men forskere ved Rice University, der studerede proteiner og partikler, var mere "rigtige", end de forventede.

Riskemikerne Christy Landes og Stephan Link og hovedforfatter og Smalley-Curl postdoktor Qingfeng Zhang rapporterede i denne uge i Videnskab at bovint serumalbumin (BSA), et standardprotein i nano-bio laboratorieforsøg, er tilbøjelig til at skubbe guldnanoroder ind i højrehåndede kirale samlinger-samtidig med at de producerer chirale plasmoniske signaler, der matcher.

Resultatet var en overraskelse for forskerne, der satte sig for at løse de mystiske interaktioner i blandinger af BSA og guld nanorods:aggregeringen af ​​metalliske nanopartikler til chirale samlinger, protein chiralitet, og de resulterende plasmoniske egenskaber. Lys udløser blandinger af partikler og proteiner til at sprede polariseret lys, men indtil nu har forskere ikke vidst, hvilke interaktioner i blandingen, der var ansvarlige for signalet og, vigtigst for fremtidige registreringsapplikationer, om de kunne forfines.

Værket antyder, at det kan blive muligt at fornemme håndenheden, eller chiralitet, af enkelte proteiner, en potentiel velsignelse for medicinalvirksomheder, der kræver lægemiddelrenhed. Et molekyle med den korrekte kiralitet kan redde et liv, mens det samme molekyle af den modsatte kiralitet kan være meget giftigt.

Rice-eksperimenterne afslørede chiralitet på flere niveauer i den måde, hvorpå BSA-proteiner fik de 100 nanometer lange partikler til at tilpasse sig, og i hvordan partiklernes plasmoner reagerede på lys i de meget mindre proteiners tilstedeværelse. (Plasmoner er resonerende elektronbølger, der bølger langs overfladen af ​​en metalpartikel, når de udløses af lys.)

Responsen blev målt som cirkulær dikroisme (CD), hvilket er en måde at måle, om en lysbølges elektriske feltrotation har en præferencevirkning med materiale i enten med uret (højre) eller mod uret (venstre).

CD-signaler er normalt svage, men stadig hjælpe med at karakterisere den gennemsnitlige opbygning af proteinensembler. I Rice -undersøgelsen plasmoner fungerede som antenner til at forstærke CD fra de overfladeadsorberede chirale proteiner, at flytte signalet fra det ultraviolette til det synlige, omtalt som plasmonkoblet-CD.

Link sagde, at plasmonkoblet CD tidligere var blevet observeret for blandinger af enkelte nanopartikler, aggregater og chirale molekyler, men ingen undersøgelse har indtil nu afsløret, om alle molekylerne og nanopartiklerne bidrog lige meget til signalet.

Det gør de ikke i dette tilfælde. Undersøgelsen afslørede, at kun aggregerede nanorod-proteinkomplekser producerer et CD-signal, forårsaget både af proteiner i hullerne mellem nanopartikler og af chirale nanopartikelsamlinger.

Det var en fuldstændig overraskelse, Landes sagde, at proteiner styrede samlingen af ​​chirale nanorods på en sådan måde, at samlingens håndhed matchede proteinernes håndhed. "Vi forsøgte at teste en hypotese om oprindelsen af ​​det chirale signal, som andre mennesker har rapporteret i undersøgelser af nanopartikelensembler, " sagde hun. "Er det fra chirale nanostrukturer? Er det fra proteinet? Og vi fandt ud af, at det er begge dele.

"Ud over, proteinbiomolekylet med en foretrukken håndhed inducerer denne håndhed i meget større nanorod-aggregater, " sagde Landes. "Det var den opdagelse, vi bare ikke havde forventet."

Link forklarede nanorod chiralitet er et spørgsmål om positionering. "To vinkelrette nanorods er achirale, " sagde han. "Hvis de er parallelle, de er akirale. Men hvis de er justeret i andre vinkler, de er chirale. Vanskeligheden var at designe et eksperiment for at bestemme, hvor CD'en kommer fra, når du har blandinger af proteiner, nanorods og achirale og chirale aggregater."

Ved at bruge en ny teknik udviklet i Link-laboratoriet kaldet single-particle circular differential scattering (CDS) spektroskopi, forskerne bekræftede, at kun aggregerede nanorod-BSA-komplekser udviste chiralitet. Når aggregaterne blev ophidset med synligt lys, antenneeffekten af ​​de plasmoniske hot spots forstærkede den normalt svage chirale respons af proteiner i mellempartiklernes mellemrum.

Nøglen til deres succes, Landes sagde, var et tilpasset billedbehandlingsprogram af Rice-studerende og medforfatter Rashad Baiyasi, der lod dem identificere enkelte partikler og små aggregater blandt prøverne i nanoskala og derefter relatere spektroskopien til hot spots og præferencerækkefølge.

Forårssabbaticals for både Landes og Link viste sig også at være den perfekte timing for projektet, da de fik opmærksomhed fra medforfatter Jennifer Dionne, direktør for Stanford Photonics Research Center og specialist i kryogen elektronmikroskopi. Dionne viste, at frysning af partikel-protein-opløsningerne ville give forskerne mulighed for direkte at se, hvordan partiklerne justerede i 3-D.

Det hjalp med at eliminere enhver usikkerhed om, at fladning af de chirale samlinger på en overflade ændrede signalet.

I et andet eksperiment, forskerne erstattede BSA med opløst bordsalt for at se, hvordan partiklerne reagerede. De fandt ud af, at nanoroderne ville samle sig, men i en blanding af achirale og chirale arrangementer med den samme mængde af venstre- og højrehåndede arter uden en overordnet foretrukken håndhed, og derfor uden et ensemble-cd-signal. "Det bekræftede, at BSA forudindtager dannelsen af ​​en vis nanostrukturer, " sagde Link. "Vi ved stadig ikke hvorfor eller hvor generelt dette fænomen er."

Landes sagde, at forskerne er "omkring 14 trin" fra at bedømme chiraliteten af ​​et enkelt protein. Hvis det overhovedet er muligt, hun sagde, at Rice-opdagelsen kan være den eneste vej mod mærkefri sansning af enkeltproteinkonformationer. Det har en uovertruffen værdi for farmaceutiske kemikere, der kæmper for at skabe partier af proteiner med en særlig håndfasthed, en kritisk faktor i lægemiddeldesign.

"Den ultimative drøm har to dele:Den ene er, at vi kan detektere konformationer af enkelte proteiner dynamisk, og den anden er, at vi kan gøre det inde i levende væv, " sagde Landes. "Der er ingen måde nogensinde, at du kunne bruge (usynligt) ultraviolet lys til at gøre det. Den eneste måde at forestille sig inde i noget levende - en celle eller et dyr - ville være at skifte lyset til det røde, som vi har gjort i disse eksperimenter."