Aflytning af enkelte molekyler med lys ved at afspille snakken igen

Forskere har været banebrydende for en ny teknik til at afsløre skjulte biokemiske veje, der involverer enkelte molekyler på nanoskala.

Et team af forskere fra University of Exeter's Living Systems Institute brugte lys til at etablere et middel til at overvåge strukturen og egenskaberne af individuelle molekyler i realtid.

Denne innovative tilgang har gjort det muligt for teamet midlertidigt at bygge bro mellem molekyler for at give en afgørende linse i deres dynamik.

Undersøgelsen er offentliggjort i det førende tidsskrift Naturkommunikation .

Strukturen af ​​individuelle molekyler og deres egenskaber, såsom chiralitet, er svær at undersøge.

I den nye undersøgelse, ledet af professor Frank Vollmer, gruppen var i stand til at observere reaktioner på nanoskalaen, som ellers ville være utilgængelige.

Thiol/disulfidudveksling-eller den vigtigste måde disulfidbindinger dannes og omarrangeres i et protein-er endnu ikke blevet fuldstændigt undersøgt ved ligevægt på enkeltmolekylniveau, dels fordi dette ikke kan løses optisk i bulkprøver.

Imidlertid, lys kan cirkulere rundt i kugler i mikronstørrelse for at danne resonanser. Det fangede lys kan derefter gentagne gange interagere med dets omgivende miljø. Ved at fæstne guld nanopartikler til kuglen, lys er forstærket og rumligt begrænset ned til størrelsen af ​​vira og aminosyrer.

Den resulterende optoplasmoniske kobling muliggør påvisning af biomolekyler, der nærmer sig nanopartiklerne, mens de binder sig til guldet, løsrive, og interagere på forskellige måder.

På trods af denne tekniks følsomhed, der mangler specificitet. Molekyler så simple som atomære ioner kan detekteres og visse dynamikker kan skelnes, men vi kan ikke nødvendigvis diskriminere dem.

Serge Vincent bemærker:"Det tog noget tid, før vi kunne indsnævre, hvordan man pålideligt kunne prøve individuelle molekyler. Fremadgående og bagudgående reaktionshastigheder ved ligevægt modsvares og, i et vist omfang, vi søgte at løfte sløret over denne subtile dynamik."

Reaktionsveje reguleret af disulfidbindinger kan begrænse interaktioner til enkelte thiol-sansesteder på nanopartiklerne. Den høje troværdighed ved denne tilgang etablerer præcis sondering af egenskaberne ved molekyler, der gennemgår reaktionen.

Ved at placere linkere på guldoverfladen, interaktioner med thiolerede arter isoleres for baseret på deres ladning og selve cyklen.

Sensorsignaler har klare mønstre relateret til, om der er reduktionsmiddel til stede. Hvis det er, signalet svinger på en kontrolleret måde, mens hvis det ikke er, svingningerne bliver stokastiske.

For hver reaktion kan monomer- eller dimertilstanden i den fraspaltelige gruppe løses.

Overraskende nok, den optoplasmoniske resonans skifter i frekvens og/eller ændringer i linjebredde, når enkelte molekyler interagerer med den. I mange tilfælde tyder dette resultat på en plasmon-vibrationskobling, der kunne hjælpe med at identificere individuelle molekyler, endelig opnå karakterisering.

Professor Frank Vollmer sagde:"Dette fremragende arbejde af min ph.d.-studerende, Serge Vincent, baner vejen for mange fremtidige enkeltmolekyleanalyseteknikker, som vi kun har drømt om. Det er et afgørende skridt for vores projekt ULTRACHIRAL. ULTRACHIRAL søger at udvikle gennembrud i, hvordan vi bruger lys til at analysere kirale molekyler. "