Enkelte umærkede biomolekyler kan detekteres gennem lys

At være i stand til at spore individuelle biomolekyler og observere dem på arbejde er enhver biokemikers drøm. Dette ville gøre det muligt for forskerne at forske i detaljer og bedre forstå, hvordan livets nanomaskiner fungerer, såsom ribosomer og DNA-polymeraser. Forskere ved Max Planck Institute for the Science of Light har taget et stort skridt nærmere dette mål. Ved hjælp af en optisk mikrostruktur og guld nanopartikler, de har amplificeret lysets interaktion med DNA i en sådan grad, at de nu kan spore interaktioner mellem individuelle DNA-molekylesegmenter. Derved, de har nærmet sig grænserne for, hvad der er fysisk muligt. Deres optiske biosensor til enkelte umærkede molekyler kunne også være et gennembrud i udviklingen af ​​biochips:mini-laboratorier i fingerneglestørrelse i mobile analytiske enheder kunne teste en dråbe blod for flere sygdomme samtidigt eller lette omfattende miljøanalyser med meget lidt prøvemateriale.

Vores forståelse af fundamentale livsprocesser blev først muliggjort af viden om, hvordan individuelle biomolekyler interagerer med hinanden. I celler, nanomaskiner såsom ribosomer og DNA-polymeraser syr individuelle molekyler sammen for at danne komplekse biologiske strukturer såsom proteiner og DNA-molekyler, lagrene af genetisk information. Selvom det er muligt at undersøge individuelle molekylers interaktion med enzymer eller ribosomer, molekylerne skal ofte mærkes, for eksempel med fluorescerende markører, for at observere dem. Imidlertid, sådan mærkning er kun mulig med visse molekyler, og det kan forstyrre funktionen af ​​de biologiske nanomaskiner. Selvom lys kan bruges til at detektere umærkede biomolekyler, tilgangen kan ikke bruges til at påvise enkelte DNA-molekyler, da lysbølgernes interaktion med molekylet er for svag.

Et team af fysikere ledet af Frank Vollmer fra Laboratory for Nanophotonics and Biosensors ved Max Planck Institute for the Science of Light er nu lykkedes med at forstærke lysets interaktion med DNA-molekyler i det omfang, at deres fotoniske biosensor kan bruges til at observere enkeltstående umærkede molekyler og deres interaktioner.

En mikrosfære bliver til et optisk hviskegalleri

For at opnå dette, fysikerne bruger glasperler på omkring 60 mikrometer i diameter, omkring tykkelsen af ​​et menneskehår, og guld nanotråde ca. 12 nanometer i diameter og 42 nanometer i længden. Guldtråden er derfor kun omkring en tiende tusindedel af tykkelsen af ​​et hår. Mikrosfæren og nanotråden forstærker samspillet mellem lys og molekyler. Ved hjælp af et prisme, forskerne skinner laserlys ind i mikrosfæren. Lyset reflekteres gentagne gange på den indre overflade af kuglen, indtil ultimativt, det forplanter sig langs den indvendige overflade, svarende til den måde, lydbølger bevæger sig langs væggene i et cirkulært indhegning eller hviskegalleri:når nogen hvisker i den ene ende af det kuppelformede eller hvælvede galleri, en person i den modsatte ende kan høre det i den anden ende, selv over en usædvanlig lang afstand. Dette skyldes, at lydbølgerne ikke mister intensitet, når de rejser.

Hvis et molekyle er fikseret til overfladen af ​​glasperlen, lysstrålen går forbi den mere end hundrede tusinde gange. Fordi lysbølgen altid strækker sig noget uden for mikrosfæren, der sker en interaktion mellem den og molekylet. Denne interaktion er stærkt forstærket på grund af den hyppige kontakt mellem lyset og molekylet. Imidlertid, interaktionen er stadig for svag til at registrere enkelte molekyler.

Vollmer og hans kolleger fikserer derfor en nanotråd til glasperlens overflade. Lyset suser forbi genererer plasmoner:kollektive svingninger af elektroner. "Plasmonerne trækker lysbølgen lidt længere ud af glasmikrosfæren, ", forklarer Vollmer. Dette forstærker lysbølgens feltstyrke med en faktor på mere end tusind. Forstærkningen i signalet er da tilstrækkelig til at detektere enkelte biomolekyler, såsom DNA-fragmenter. De Erlangen-baserede forskere gjorde netop det. De fæstede et fragment af enkeltstrenget DNA, som altid forekommer i form af en dobbeltstreng i cellekernen, til nanotråden monteret på mikrosfæren. Når en matchning, dvs. komplementære, DNA-fragment binder til "lokkemad" på nanotråden, lysets bølgelængde skifter og forstærkes af mikrosfæren og nanotråden. Denne forskydning kan måles.

Forskellige strengsektioner kan skelnes ved deres bindingsadfærd

Imidlertid, fysikerne brugte et kortere DNA-fragment, end det er normalt i lignende procedurer. Like a short piece of tape on a wall, short DNA fragments do not adhere strongly to each other, so that the strands separate again relatively quickly. Derfor, new fragments are able to bind repeatedly to the molecular "bait", including fragments that are not fully complementary. På denne måde it is possible to investigate how long the DNA fragments interact with each other and how often the "bait" captures a segment. "This approach makes it possible to use a single DNA receptor and to follow its successive interactions with various DNA segments in the sample solution, " says Frank Vollmer. "Based on the duration and frequency of the measured interactions, it is then possible to detect specific unlabelled DNA molecules."

The researchers have tested their optical biosensor with a sample containing both an exactly matching DNA fragment and a fragment that was not perfectly complementary. They were able to distinguish the two fragments based on their different kinetics.

Even in nature, the bonds formed between molecules and nanomachines are fleeting. Thanks to the new method, it is now possible to explore such natural kinetics in greater detail, says Frank Vollmer. "More research is needed, " says the physicist, who is looking forward to tackling future challenges.

The researchers in Erlangen are already planning future projects. "It's possible to observe, for eksempel, how an enzyme such as DNA polymerase synthesizes DNA, " explains Vollmer. The scientists would also like to integrate their photonic biodetector into optical microchips for use in clinical diagnostics.