Forskere udvikler den hidtil mest følsomme metode til at observere enkelte molekyler
Forskere ved University of Wisconsin-Madison har udviklet den hidtil mest følsomme metode til at detektere og profilere et enkelt molekyle - og låse op for et nyt værktøj, der rummer potentiale til bedre at forstå, hvordan stoffets byggesten interagerer med hinanden. Den nye metode kan få konsekvenser for så forskellige aktiviteter som lægemiddelopdagelse og udvikling af avancerede materialer.
Den tekniske præstation, beskrevet i denne måned i tidsskriftet Nature , markerer et betydeligt fremskridt inden for det spirende område med at observere individuelle molekyler uden hjælp af fluorescerende mærker.
Selvom disse mærker er nyttige i mange applikationer, ændrer de molekyler på måder, der kan skjule, hvordan de naturligt interagerer med hinanden. Den nye mærkefri metode gør molekylerne så lette at opdage, at det næsten er, som om de havde mærker.
"Vi er meget begejstrede for dette," siger Randall Goldsmith, en UW-Madison professor i kemi, der ledede arbejdet. "At fange adfærd på niveau med enkelte molekyler er en utrolig informativ måde at forstå komplekse systemer på, og hvis du kan bygge nye værktøjer, der giver bedre adgang til det perspektiv, kan disse værktøjer være virkelig kraftfulde."
Mens forskere kan hente nyttig information fra at studere materialer og biologiske systemer i større skalaer, siger Goldsmith, at observation af adfærden af og interaktioner mellem individuelle molekyler er vigtig for at kontekstualisere denne information, hvilket nogle gange fører til ny indsigt.
"Når du ser, hvordan nationer interagerer med hinanden, kommer det hele ned til interaktioner mellem individer," siger Goldsmith. "Du ville ikke engang tænke på at forstå, hvordan grupper af mennesker interagerer med hinanden, mens du ignorerer, hvordan individer interagerer med hinanden."
Goldsmith har jagtet forlokkelsen ved enkelte molekyler, siden han var postdoktor ved Stanford University for mere end ti år siden. Der arbejdede han under kemikeren W.E. Moerner, som modtog Nobelprisen i kemi i 2014 for at udvikle den første metode til at bruge lys til at observere et enkelt molekyle.
Siden Moerners første succes har forskere rundt om i verden udtænkt og forfinet nye måder at observere disse små stykker stof på.
Metoden, som UW-Madison-teamet udviklede, er afhængig af en enhed kaldet en optisk mikroresonator eller mikrokavitet. Som navnet antyder, er mikrohulrummet et ekstremt lille rum, hvor lys kan fanges i både rum og tid – i det mindste i et par nanosekunder – hvor det kan interagere med et molekyle.
Mikrohulrum findes mere almindeligt i fysik- eller elektrotekniske laboratorier, ikke kemi-laboratorier. Goldsmiths historie med at kombinere koncepter fra forskellige videnskabelige områder blev anerkendt i 2022 med en Polymath-pris fra Schmidt Futures.
Mikrohulrum er bygget af utroligt små spejle, der er lavet lige oven på et fiberoptisk kabel. Disse fiberoptiske spejle hopper lyset frem og tilbage mange gange meget hurtigt i mikrohulrummet.
Forskerne lader molekyler vælte ind i hulrummet, lader lyset passere gennem det og kan ikke kun registrere molekylets tilstedeværelse, men også lære information om det, såsom hvor hurtigt det bevæger sig gennem vandet. Denne information kan bruges til at bestemme molekylets form eller konformation.
"Konformation på molekylært niveau er utrolig vigtig, især for at tænke på, hvordan biomolekyler interagerer med hinanden," siger Goldsmith.
"Lad os sige, at du har et protein, og du har et eller andet lille-molekyle-lægemiddel. Du vil se, om proteinet kan medicineres, hvilket vil sige:'Har stoffet en form for større interaktion med proteinet?' En måde du måske kan se det på er, hvis det introducerer en konformationsændring."
Der er andre måder at gøre det på, men de kræver store mængder prøvemateriale og tidskrævende analyser. Med den nyudviklede mikrohulrumsteknik siger Goldsmith:"Vi kan potentielt bygge et black-box-værktøj til at give os svaret på ti sekunder."
Holdet, som omfattede Lisa-Maria Needham, en tidligere postdoc-forsker, som nu er laboratoriedirektør ved University of Cambridge, har indgivet patent på enheden. Goldsmith siger, at enheden og metoderne nu vil blive forfinet i løbet af de næste par år. I mellemtiden siger han, at han og hans samarbejdspartnere allerede tænker på de mange måder, det kan være nyttigt.
"Vi er begejstrede for mange andre anvendelser inden for spektroskopi," siger han. "Vi håber, vi kan bruge dette som et springbræt til andre måder at lære om molekyler på."
Flere oplysninger: Lisa-Maria Needham et al., Etiketfri påvisning og profilering af individuelle opløsningsfasemolekyler, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07370-8
Journaloplysninger: Natur
Leveret af University of Wisconsin-Madison
Varme artikler
-
Europas primære skove:Hvad skal man beskytte? Hvad skal genoprettes?Primære skove er afgørende for bevarelse af biodiversitet og lagrer store mængder kulstof i biomasse, er derfor med til at afbøde klimaforandringerne. Kredit:Tzvetan Zlatanov Primære skove er skov -
Forskere reagerer på kritik af foreslået antropocænKredit:University of Leicester Et hold af akademikere ledet af University of Leicester har reageret på kritik af forslaget om at formalisere en ny geologisk epoke - Antropocæn. Geologiske kritike -
Hvordan vi brugte droner til at overvåge kysterosion i GhanaDroner er billige og nemme at betjene. Kredit:Shutterstock/Halfpoint Deltamiljøer er lavtliggende og meget sårbare over for oversvømmelser og erosion fra havbølger. Og disse farer vil sandsynligvi -
Orkanen Maria dræbte 4 600 i Puerto Rico, 70 gange officiel vejafgift:undersøgelseEn mand går forbi ødelagte hjem i Catano, Puerto Rico, den 21. september, 2017 i kølvandet på orkanen Maria Orkanen Maria, som pummeled Puerto Rico i september 2017, er sandsynligvis ansvarlig for
- Zapping af jorden med elektricitet for at skabe detaljerede jordbundskort til gårde
- Ny metode til at forbedre termisk ledningsevne kunne afkøle computerchips, lasere og andre enheder
- Undersøgelse af den realistiske karakter af bølgefunktionen i kvantemekanik
- Mineral tidligere kendt kun i meteoritter opdaget ved Døde Hav
- Madlavningskemi minus varme er lig med ny ikke-giftig klæbemiddel
- Byen Arlington i Texas siger, at den er ude af bud på Amazon HQ2