Forskere præsenterer et skinnende nyt værktøj til billeddannelse af biomolekyler

I hjertet af immunsystemet, der beskytter vores kroppe mod sygdom og fremmede angribere, er et stort og komplekst kommunikationsnetværk, der involverer millioner af celler, at sende og modtage kemiske signaler, der kan betyde liv eller død. Kernen i dette enorme cellulære signalnetværk er interaktioner mellem milliarder af proteiner og andre biomolekyler. Disse interaktioner, på tur, er stærkt påvirket af den rumlige mønster af signal- og receptormolekyler. Evnen til at observere signalerende rumlige mønstre i immunsystemet og andre cellulære systemer, efterhånden som de udvikler sig, og for at studere virkningen på molekylære interaktioner og, ultimativt, mobil kommunikation, ville være et kritisk redskab i kampen mod immunologiske og andre lidelser, der fører til en lang række sundhedsproblemer, herunder kræft. Sådan et værktøj er nu ved hånden.

Forskere ved US Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley, har udviklet den første praktiske anvendelse af optiske nanoantenner i cellemembranbiologi. Et videnskabeligt team ledet af kemikeren Jay Groves har udviklet en teknik til snøring af kunstige lipidmembraner med milliarder af guld "bowtie" nanoantenner. Gennem fænomenet kendt som "plasmonics, "Disse nanoantenner kan øge intensiteten af ​​et fluorescerende eller Raman optisk signal fra et protein, der passerer gennem et plasmonisk" hot-spot "titusinder af gange, uden at proteinet nogensinde bliver rørt.

"Vores teknik er minimalt invasiv, da forbedring af optiske signaler opnås uden at kræve, at molekylerne interagerer direkte med nanoantenna, "Groves siger." Dette er en vigtig forbedring i forhold til metoder, der er afhængige af adsorption af molekyler direkte på antenner, hvor deres struktur, orientering, og adfærd kan alle ændres. "

Groves afholder fælles aftaler med Berkeley Labs Physical Biosciences Division og UC Berkeley's Chemistry Department, og er også en Howard Hughes Medical Institute -efterforsker. Han er den tilsvarende forfatter til et papir, der rapporterer disse resultater i tidsskriftet Nano bogstaver . Papiret har titlen "Single Molecule Tracking on Supported Membranes with Arrays of Optical Nanoantennas." Medforfatter af papiret var Theo Lohmuller, Lars Iversen, Mark Schmidt, Christopher Rhodes, Hsiung-Lin Tu og Wan-Chen Lin.

Fluorescerende emissioner, hvor biomolekyler af interesse er mærket med farvestoffer, der fluorescerer, når de stimuleres af lys, og Raman -spektroskopi, hvor spredning af lys ved molekylære vibrationer bruges til at identificere og lokalisere biomolekyler, er optiske billeddannelsesteknikker fra arbejdshest, hvis værdi er blevet yderligere forstærket af fremkomsten af ​​plasmonik. Ved plasmonik, lysbølger presses ind i områder med dimensioner mindre end halvdelen af ​​bølgelængden af ​​de indfaldende fotoner, gør det muligt at anvende optiske billeddannelsesteknikker på nanoskalaobjekter som f.eks. biomolekyler. Nanostørrelse guldpartikler i

form af trekanter, der er parret i en tip-to-tip formation, som en sløjfe, kan tjene som optiske antenner, fange og koncentrere lysbølger til veldefinerede hot spots, hvor den plasmoniske effekt forstærkes kraftigt. Selvom konceptet er veletableret, at anvende det på biomolekylære undersøgelser har været en udfordring, fordi guldpartikelarrays skal være fremstillet med veldefinerede nanometerafstand, og molekyler af interesse skal leveres til plasmoniske hotspots.

"Vi er i stand til at fremstille milliarder af guld nanoantenner i en kunstig membran gennem en kombination af kolloid litografi og plasmabehandling, "Groves siger." Kontrolleret afstand mellem nanoantenna -hullerne opnås ved at udnytte det faktum, at polystyrenpartikler smelter sammen ved deres kontaktpunkt under plasmabehandling. Resultatet er veldefineret afstand mellem hvert par guldtrekanter i det endelige array med en tip-to-tip afstand mellem nabo-guld-nanotriangler, der måler i området 5 til 100 nanometer. "

Indtil nu, Groves siger, det har ikke været muligt at afkoble størrelsen af ​​guldnanotrianglerne, som bestemmer deres overfladeplasmonresonansfrekvens, fra spids til spids afstand mellem de enkelte nanopartikelegenskaber, som er ansvarlig for at forstærke den plasmoniske effekt. Med deres kolloidale litografi tilgang, et selvsamlet sekskantet enkeltlag af polymersfærer bruges til at skyggemaske et substrat til efterfølgende aflejring af guldnanopartiklerne. Når kolloidmasken fjernes, hvad der er tilbage er store arrays af guldnanopartikler og trekanter, som den kunstige membran kan dannes over.

De unikke kunstige membraner, som Groves og hans forskningsgruppe udviklede tidligere, er en anden nøgle til succesen med denne seneste præstation. Lavet af et flydende dobbeltlag af lipidmolekyler, disse membraner er de første biologiske platforme, der kan kombinere fast nanopatterning med mobilitet af flydende dobbeltlag. De giver en hidtil uset evne til at studere, hvordan de rumlige mønstre af kemiske og fysiske egenskaber på membranoverflader påvirker cellers adfærd.

"Når vi indlejrer vores kunstige membraner med guldnanoantenner, kan vi spore banerne for frit diffunderende individuelle proteiner, når de sekventielt passerer igennem og forstærkes af de mange huller mellem trekanterne, "Groves siger." Dette giver os mulighed for at studere et realistisk system, som en celle, som kan involvere milliarder af molekyler, uden statisk indfangning af molekylerne. "

Da molekyler i levende celler generelt er i en tilstand af evig bevægelse, det er ofte deres bevægelse og interaktioner med andre molekyler frem for statiske positioner, der bestemmer deres funktioner i cellen. Groves siger, at enhver teknik, der kræver direkte adsorption af et molekyle af interesse på en nanoantenna, fjerner i realiteten molekylet fra det fungerende ensemble, der er essensen af ​​dets naturlige adfærd. The technique he and his co-authors have developed allows them to look at individual biomolecules but within the context of their surrounding community.

"The idea that optical nanoantennas can produce the kinds of enhanced signals we are observing has been known for years but this is the first time that nanoantennas have been fabricated into a fluid membrane so that we can observe every molecule in the system as it passes through the antenna array, " Groves says. "This is more than a proof-of-concept we've shown that we now have a useful new tool to add to our repertoire."