Fange individuelle molekyler i en million med optiske antenner inde i nano-kasser

En enkelt celle i vores krop er sammensat af tusinder af millioner af forskellige biomolekyler, der arbejder sammen på en yderst velkoordineret måde. Ligeledes, mange biologiske og biokemiske reaktioner forekommer kun, hvis molekyler er til stede i meget høje koncentrationer. At forstå, hvordan alle disse molekyler interagerer med hinanden, er nøglen til at fremme vores viden inden for molekylær og cellebiologi.

Denne viden er af central og grundlæggende betydning i søgen efter påvisning af de tidligste stadier af mange menneskelige sygdomme. Som sådan, et af ultimative mål inden for biovidenskab og bioteknologi er at observere, hvordan individuelle molekyler fungerer og interagerer med hinanden i disse meget overfyldte miljøer. Desværre, at opdage et molekyle blandt millioner af nabomolekyler har været teknisk umuligt indtil nu. Nøglen til succesfuld at opdage det enkelte molekyle ligger i opfattelsen og produktionen af ​​en arbejdsindretning, der krymper observationsområdet til en lille størrelse, der kan sammenlignes med selve molekylets størrelse, dvs. kun få nanometer.

Forskere ved Fresnel Institute i Marseille og ICFO-the Institute for Photonic Sciences i Barcelona rapporterer i Naturnanoteknologi design og fremstilling af den mindste optiske enhed, i stand til at detektere og sanse individuelle biomolekyler ved koncentrationer, der ligner dem, der findes i den cellulære kontekst. Enheden kaldet "antenne-i-en-boks" består af en lille dimer-antenne bestående af to guldhalvkugler, adskilt fra hinanden med et hul så lille som 15 nm. Lys, der sendes til denne antenne, forstærkes enormt i spaltområdet, hvor den faktiske detektion af biomolekylet af interesse forekommer. Fordi forstærkning af lyset er begrænset til hullets dimensioner, kun molekyler til stede i denne lille region påvises. Et andet trick, som forskerne brugte til at få denne enhed til at fungere, var at integrere dimerantennerne i kasser også af nanometriske dimensioner. "Boksen skærmer den uønskede" støj "fra millioner af andre omgivende molekyler, reducere baggrunden og forbedre helheden påvisning af individuelle biomolekyler. ", forklarer Jerome Wenger fra Fresnel Institute. Ved test under forskellige prøvekoncentrationer, denne nye antenne-i-boksenhed muliggjorde 1100-fold fluorescens lysstyrkeforøgelse sammen med detektionsmængder ned til 58 zeptoliter (1 zL =10-21L), dvs. den mindste observationsmængde i verden.

Antennen-i-en-boks tilbyder en yderst effektiv platform til at udføre et væld af nanoskala biokemiske vurderinger med enkeltmolekylfølsomhed ved fysiologiske forhold. Det kan bruges til ultralydsfølelse af små mængder molekyler, bliver en glimrende tidlig diagnoseapparat til biosensering af mange sygdomsmarkører. "Det kan også bruges som en ultra-lys optisk nanokilde til at belyse molekylære processer i levende celler og i sidste ende visualisere, hvordan individuelle biomolekyler interagerer med hinanden. Dette bringer os tættere på biologernes længe ventede drøm", afslutter ICFO-forsker prof. Maria Garcia-Parajo.