pH-afhængig konformationsændring styrer energioverførsel i nanokrystal sensorer

(Phys.org) —Aciditet (pH) og dens ændringer spiller en vigtig rolle i mange fysiologiske processer, herunder proteinfoldning, og kan fungere som indikatorer for kræft. I journalen Angewandte Chemie , Amerikanske forskere har nu introduceret en ukonventionel pH -sensor, der gør det muligt at overvåge ændringer i pH -værdier i levende celler over længere perioder, med tidligere uopnåelig rumlig opløsning. Dette er muligt gennem kombinationen af ​​fluorescerende nanokrystaller med mobile molekylære "arme", der kan folde eller udfolde sig afhængigt af pH i deres miljø.

Endosomer, celleorganeller, der spiller en rolle i transport inden for celler, oplever et betydeligt fald i deres pH -værdi, når de modnes. Dette blev observeret af teamet, der arbejdede sammen med Moungi G. Bawendi ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge ved hjælp af en ny nanoskopisk pH -sensor og et fluorescensmikroskop. Hemmeligheden bag deres succes ligger i det ukonventionelle design af deres sensor:En mobil molekylær "arm" forbinder en grøn fluorescerende nanokrystal med et rødt fluorescerende farvestof. Nanokrystaller er partikler af halvledermaterialer, der let overfører lysenergien, de absorberer, til fluorescerende farvestoffer gennem en strålingsfri mekanisme (fluorescensresonansenergioverførsel, eller FRET). Dette får farvestoffet til at fluorescere - så længe begge FRET -partnerne er tæt nok på hinanden.

Afstanden mellem nanokrystallen og farvestoffet styres ved foldning og udfoldelse af molekylarmen på nano pH-sensoren-og denne bevægelse er pH-afhængig. Armen består af et stykke dobbeltstrenget og et stykke enkeltstrenget DNA. Når koncentrationen af ​​H+ ioner stiger, det samme gør tendensen til at danne en "tredobbelt streng", hvor den enkelte streng passer ind i rillen på den dobbelte streng, får armen til at folde sig. Denne "armbevægelse" finder sted i det fysiologisk vigtige område omkring pH 7 og er meget følsom over for den mindste ændring.

Ved højere pH -værdier, armen er strakt ud, og FRET -partnerne er for langt væk fra hinanden til, at energioverførsel kan forekomme. Nanokrystallet udsender grøn fluorescens, og farvestoffet fluorescerer ikke. Når pH -værdien bliver lavere, armen foldes nok til at tillade FRET energioverførsel. Den grønne fluorescens af nanokrystal falder, og farvestoffet begynder at lyse rødt. Fordi denne teknik måler forholdet mellem grøn og rød fluorescens i stedet for en absolut værdi, variationer i intensitet gør ingen forskel. Sensoren har således en intern reference.

I denne type sensor, den egentlige "pH -tester" og den optiske signalanordning er to separate komponenter. Ved at udskifte pH -testeren med en molekylær arm, der reagerer på en anden analyt, bør det være muligt at bruge det samme princip og den samme optiske signalanordning til at bygge sensorer til andre målmolekyler.

Nanokrystalfluoroforer har forårsaget stor spænding på flere områder på grund af deres attraktive optiske egenskaber. Nanokrystaller tilbyder overlegne egenskaber sammenlignet med traditionelle molekylære fluoroforer, især inden for biologi, hvor de kan hjælpe med at afsløre cellens indre virke. Imidlertid, Det har vist sig svært at konvertere disse nye nanomaterialer til fluorescerende sensorer. Konceptet med at udnytte en molekylær konformationsændring for at oprette en sensor er nyt for nanokrystalsensorer og kan bevise en generel løsning på problemet med at lave sensorer fra nanokrystaller.