Ny teknik kan mærke bevægelse af enkeltmolekyler over timer

(PhysOrg.com) - Forskere kan registrere bevægelser af enkelte molekyler ved hjælp af fluorescerende mærker eller ved at trække dem i sarte kraftmålinger, men kun i et par minutter. En ny teknik fra Rice University -forskere giver dem mulighed for at spore enkeltmolekyler uden at ændre dem - og det fungerer over længere tidsskalaer.

I det aktuelle nummer af Nanoteknologi , et team ledet af Jason Hafner, lektor i fysik og astronomi og kemi, har vist, at de plasmoniske egenskaber af nanopartikler kan "lyse op" molekylære interaktioner ved enkeltmolekylgrænsen på måder, der vil være nyttige for forskere.

Hafners metode udnytter metal nanopartiklers evne til at fokusere lys ned til biomolekylære skalaer gennem en effekt kaldet lokaliseret overfladeplasmonresonans (LSPR). De guldnanopartikler, der i sidste ende blev brugt i eksperimentet, spredte lys i synlige bølgelængder, som kan detekteres og spektralt analyseres i et mikroskop.

"Resonansens nøjagtige topbølgelængde er meget følsom over for små forstyrrelser i det nærliggende dielektriske miljø, "sagde kandidatstuderende Kathryn Mayer, den førende elev på forsøget. "Ved at spore toppen med et spektrometer, vi kan detektere molekylære interaktioner nær overfladen af ​​nanopartiklerne. "

Hafner diskuterede først deres fremskridt på en konference i 2006 efter en præsentation om guldnanostjerner, som hans laboratorium havde udviklet. "Vi havde ekstremt foreløbige data, og jeg sagde, 'Måske har vi det.' Jeg troede, vi var tæt på, "huskede han.

Det, der tog tid, var at finde den rigtige partikel. "Vi startede med nanoroder, som ikke spreder lys godt, i hvert fald ikke de små nanoroder, vi producerer i mit laboratorium. Derefter prøvede vi nanostjerner og fandt ud af, at de var meget lyse og følsomme, men hver havde en anden form og havde en anden maksimal bølgelængde. "

Holdet slog sig ned på tofyramider, 140 nanometer lang, 10-sidede guldpartikler, der fokuserer lys ved deres skarpe spidser, skabe et halo-lignende "sansevolumen, "det dielektriske miljø, hvor ændringer kan aflæses af et spektrometer.

Hafner og hans kolleger lånte biokonjugerede kemiteknikker, belægning af bipyramiderne med antistoffer og derefter tilføjelse af antigener, der stærkt binder til dem. Derefter blev antigenerne skyllet af. Hver gang man blev frigivet fra dets binding til det bipyramidiske antistof, forskerne opdagede et lille skift mod det blå i det røde lys naturligt spredt af guldbipyramider.

Processen er "etiketfri, ”Hvilket betyder, at selve molekylet bliver detekteret, snarere end et fluorescerende mærke, der kræver modifikation af molekylet, Sagde Hafner. Også, den dielektriske egenskab, der påvises, er permanent, så molekyler kunne spores i mere end 10 timer, sammenlignet med kun minutter med nuværende metoder.

"Evnen til at måle over lange tidsskalaer åbner mulighed for at studere systemer med stærk affinitet ved enkeltmolekylgrænsen, såsom lektin-kulhydrat-interaktioner, der er ansvarlige for cellegenkendelse og adhæsion, "Hafner sagde." Andre enkeltmolekylære metoder baseret på fluorescens er begrænset af fotoblegning, og dem baseret på kraftmålinger er begrænset af strålingsskader og mekanisk ustabilitet. "

Der skal arbejdes, før LSPR bliver en ideel biologisk sensor, han sagde. Holdet planlægger at justere bipyramiderne og vil teste andre partikler.

"Med denne bipyramid, vi gik lidt for rødt, "sagde han." Det er et kompromis. Gør dem lange, og de er virkelig følsomme, men så rødt, at vi ikke får meget signal. Gør dem kortere, de er noget mindre følsomme, men du har mere signal.

"Hvis vi kan få signal-støjforholdet op med en faktor på to eller tre, vi tror, ​​det vil være en stærk metode til biologisk forskning. "

Udover Mayer, Hafners medforfattere omfattede Peter Nordlander, en risprofessor i fysik og astronomi og i elektrisk og computerteknik, tidligere ris -kandidatstuderende Feng Hao, nu postdoktor ved Sandia National Laboratories, og Rice -kandidatstuderende Seunghyun Lee.