Lys fremtid for protein -nanoprober

(Phys.org) - Udtrykket en "lysere fremtid" kan være en kliché, men i tilfælde af ultrasmå sonder til belysning af individuelle proteiner, det er nu mest passende. Forskere ved US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget overraskende nye regler for at skabe ultralette lysemitterende krystaller, der er mindre end 10 nanometer i diameter. Disse ultrabitte, men ultralette nanoprober bør være et stort aktiv for biologisk billeddannelse, især optisk billeddannelse af dybt væv af neuroner i hjernen.

Arbejder hos Molecular Foundry, et DOE nationalt nanovidenskabscenter, der er vært på Berkeley Lab, et tværfagligt forskerteam ledet af James Schuck og Bruce Cohen, begge med Berkeley Labs Materials Sciences Division, brugte avanceret enkeltpartikelkarakterisering og teoretisk modellering til at studere det, der er kendt som "opkonverterende nanopartikler" eller UCNP'er. Opkonvertering er den proces, hvorved et molekyle absorberer to eller flere fotoner ved en lavere energi og udsender dem ved højere energier. Forskergruppen fastslog, at reglerne for design af UCNP-sonder til ensembler af molekyler ikke gælder for UCNP-prober designet til enkeltmolekyler.

"Den almindeligt accepterede konventionelle visdom til design af lyse UCNP'er har været, at du vil bruge en høj koncentration af sensibiliseringsioner og en relativt lille koncentration af emitterioner, da for mange emittere vil resultere i selvslukkende, der fører til lavere lysstyrke, siger Schuck, der leder Molecular Foundry's Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility. "Vores resultater viser, at under de højere excitationskræfter, der bruges til billeddannelse af enkeltpartikler, emitterkoncentrationer bør være så høje som muligt uden at gå på kompromis med nanokrystalets struktur, mens sensibiliserende indhold potentielt kan elimineres. "

Schuck og Cohen er de tilsvarende forfattere til et papir, der beskriver denne forskning i Nature Nanotechnology. Papiret har titlen "Engineering bright sub-10-nm upconverting nanocrystals for single-molecule imaging." Medforfattere er Daniel Gargas, Emory Chan, Alexis Ostrowski, Shaul Aloni, Virginia Altoe, Edward Barnard, Babak Sanii, Jeffrey Urban og Delia Milliron.

Proteiner er en af ​​biologiens grundlæggende byggesten. Cellerne, der udgør væv og organer, er konstrueret af samlinger af proteiner, der interagerer med andre biomolekyler, mens andre proteiner styrer næsten enhver kemisk proces inde i en celle. Studerer stedet, montage, og bevægelse af specifikke proteiner er afgørende for at forstå, hvordan celler fungerer, og hvad der går galt i syge celler. Forskere studerer ofte proteiner i celler ved at mærke dem med lysemitterende prober, men det har været en udfordring at finde sonder, der er lyse nok til billeddannelse, men ikke så store til at forstyrre proteinets funktion. Fluorescerende organiske farvestofmolekyler og halvlederkvantumpunkter opfylder størrelseskravene, men pålægger andre begrænsninger.

"Organiske farvestoffer og kvanteprikker blinker, hvilket betyder, at de tilfældigt tænder og slukker, hvilket er ret problematisk for enkeltmolekylær billeddannelse, og vil fotoblegge, slukke permanent, normalt efter mindre end 10 sekunder under de fleste billeddannelsesforhold, "Siger Schuck.

Fem år siden, Cohen og Schuck og deres kolleger ved Molecular Foundry syntetiserede og afbildede enkelte UCNP'er fremstillet af nanokrystaller af natrium yttriumfluorid (NaYF4) dopet med spormængder af lanthanidelementerne ytterbium, for sensibiliseringsionerne og erbium, for emitterioner. Disse UCNP'er var i stand til at konvertere nær-infrarøde fotoner til grønt eller rødt synligt lys, og deres fotostabilitet gør dem til potentielt ideelle selvlysende sonder til billeddannelse med et enkelt molekyle.

"Celler indeholder ikke naturligt lanthanider, så de ikke konverterer lys overhovedet, hvilket betyder, at vi kan billede uden målelig baggrund, "Cohen siger." Og vi kan begejstre med nær-infrarødt lys, som er meget mindre skadelig for celler end synligt eller ultraviolet lys. Det er gode ejendomme, men for at gøre vores UCNP'er mere kompatible med cellulær billeddannelse, vi var nødt til at udvikle nye syntetiske metoder for at gøre dem mindre. "

Imidlertid, da støberiforskere skrumpede UCNP -størrelsen, efter de konventionelle designregler, de fandt ud af, at tab af lysstyrke blev et stort problem. UCNP'er mindre end 10 nanometer var ikke længere lyse nok til billeddannelse med et enkelt molekyle. Dette foranledigede den nye undersøgelse, som viste, at faktorer, der vides at øge lysstyrken i bulkforsøg, mister betydning ved højere excitationsevner, og at, paradoksalt nok, de klareste prober under enkeltmolekylær excitation er knapt selvlysende på ensembleniveau.

"Denne opdagelse opstod virkelig som en konsekvens af det tværfaglige samarbejdsmiljø på Molecular Foundry, "siger Daniel Gargas, medleder forfatter til Nature Nanotechnology-papiret. "Ved at udnytte vores daglige kontakt og venskaber med forskere i hele støberiet, vi var i stand til at udføre meget avanceret forskning om nanoskala materialer, der omfattede undersøgelse af enkeltmolekyle fotofysik, evnen til at syntetisere ultra-små opkonverterende nanokrystaller af næsten enhver sammensætning, og den avancerede modellering/simulering af UCNP optiske egenskaber. Der er ikke mange faciliteter i verden, der kan matche denne samarbejdsatmosfære med så høje niveauer af videnskabelig karakterisering. "

UCNP'er gør brug af sensibiliseringsioner, såsom ytterbium, med relativt store fotonabsorptionstværsnit at absorbere indgående lys og overføre denne absorberede energi til emitterioner, såsom erbium, som lyser. De originale lanthanid-dopede UCNP'er indeholdt 20-procent ytterbium og 2-procent erbium, som menes at være de optimale koncentrationer for lysstyrke i både bulk og nanokrystaller. Imidlertid, den nye Molecular Foundry -undersøgelse viste, at for UCNP'er mindre end 10 nanometer, erbiumkoncentrationen kunne øges til 20 procent, og ytterbiumkoncentrationen kunne reduceres til 2 procent, eller endda elimineret for UCNP'er, der nærmer sig fem nanometer.

"Folk antager ofte, at partikler, der er de klareste ved lave kræfter, også vil være de klareste ved høje kræfter, men vi fandt vores ultrasmå UCNP'er et klassisk eksempel med skildpadder og hare, "siger Emory Chan, den anden medforfatter til Nature Nanotechnology-papiret. "UCNP'er stærkt dopet med erbium starter langsomt ud af porten, at være utrolig svag ved lave kræfter, men da laserintensiteten er skruet op til høj effekt, de har forladt de konventionelt dopede UCNP'er, der er high-flyers ved lave magter. "

Chans computermodeller forudsiger, at de nye regler er universelle for lanthanid-dopede nanokrystalværter, og han bruger nu støberiets WANDA-robot (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis), som han udviklede sammen med medforfatter Delia Milliron, at oprette og screene de bedste UCNP -kompositioner baseret på forskellige betjenings-/applikationshensyn og kriterier.

I løbet af at opdage de nye regler for design af ultra-små UCNP'er, forskergruppen opdagede også, at der findes komplekse niveauer af heterogenitet inden for emissionsspektrene for disse UCNP'er. Dette tyder på, at emissioner fra UCNP'erne muligvis kun stammer fra en lille delmængde af de samlede udledere.

"Fremtidige undersøgelser kan afgøre, hvordan man konstruerer partikler, der kun består af disse superemittere, hvilket resulterer i endnu lysere emissioner fra ultra-små UCNP'er, "Siger Gargas.