Forskere udvikler en ny raman-spektroskopiplatform til at karakterisere IDP'er i fortyndet opløsning

Det er udfordrende at analysere proteiner i lave koncentrationer, især for dem i en blanding af forskellige konformationer, såsom iboende forstyrrede proteiner (IDP'er). Et forskerhold ledet af prof. Huang Jinqing, Adjunkt i Institut for Kemi ved Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), har udviklet optisk pincet-koblet Raman-spektroskopi, der direkte kan undersøge de strukturelle træk ved alfa-synuclein, en IDP tæt forbundet med Parkinsons sygdom, ved den fysiologiske koncentration ved at fokusere på individuelle proteinmolekyler.

IDP'er spiller en vigtig rolle i biologiske processer, og mange af dem er forbundet med uhelbredelige neurodegenerative sygdomme. Som en typisk IDP, alpha-synuclein mangler en stabil 3-D arkitektur kendt som sekundære strukturer. Det gennemgår spontant konverteringer fra en sekundær struktur til en anden, hvilket i sidste ende kunne resultere i opbygning af proteinaggregater involveret i Parkinsons sygdomspatologi. Imidlertid, de forbigående arter under omdannelsen har forskellige strukturer og eksisterer i lav population blandt en dynamisk ligevægtsblanding. Derfor, deres strukturelle træk er normalt begravet under detektionsresultaterne fra traditionelle måleteknikker, som gennemsnit af de detekterede signaler fra store prøvemængder og lang detektionstid.

I undersøgelsen, Prof. Huang og hendes samarbejdspartnere integrerer optisk pincet og overfladeforstærket Raman-spektroskopi (SERS) i en ny platform for at generere justerbare og reproducerbare SERS-forbedringer med enkeltmolekyleniveaufølsomhed i vandige miljøer, for at karakterisere disse internt fordrevne og samtidig bevare deres iboende heterogenitet med stor biologisk betydning. Specifikt, et hotspot kan visualiseres og styres af en optisk pincet for at tillade proteiner at gå igennem i et mikrofluidisk strømningskammer, hvilket gør det praktisk at justere måleparametrene i realtid for de in situ spektroskopiske karakteriseringer. Den identificerer direkte de strukturelle træk ved den forbigående art af alfa-synuclein blandt dens dominerende monomerer ved en fysiologisk koncentration på 1 μM ved at reducere ensemblet i gennemsnit i mængde og i tid, giver dybtgående indsigt for at forstå initieringen af ​​amyloidproteinaggregering. Derfor, denne SERS-platform har et stort potentiale til at afsløre den strukturelle information om internt fordrevne i den dynamiske, heterogen, og komplekse biologiske systemer.

"Vores strategi muliggør den præcise kontrol af hotspottet mellem to fangede mikrometer-størrelse sølv nanopartikel-coated silica perler for at forbedre SERS effektivitet og reproducerbarhed i vandige detektioner. Bortset fra den justerbare SERS forbedring, den integrerede optiske pincet tilbyder også sub-nanometer rumlig opløsning og sub-piconewton kraftfølsomhed til at overvåge lys-stof-interaktioner i det plasmoniske hotspot for ekstra fysisk indsigt. Vigtigere, vores metode åbner en ny dør til at karakterisere de forbigående arter af IDP'er i fortyndede opløsninger, hvilket fortsat er en væsentlig udfordring i biofysiksamfundet. Ultimativt, det bliver spændende fuldt ud at udnytte den præcise kraftmanipulation af den integrerede optiske pincet til at udfolde et enkelt protein inde i det kontrollerbare hotspot og løse dets strukturelle dynamik fra de endogene molekylære vibrationer ved den integrerede Raman-spektroskopi, " sagde prof. Huang.

Undersøgelsen blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .