Sporing af dynamikken i biomolekyler med optofluidiske antenner

For bedre at forstå fundamentale processer inden for biovidenskab på molekylært niveau, er den præcise observation af enkeltmolekylers dynamik af største interesse. Nuværende teknikker baseret på fluorescensmålinger i vandige opløsninger er imidlertid ikke i stand til at spore ændringer i molekylær struktur med tilstrækkelig tidsmæssig opløsning.

Fysikere ved Max Planck Institute for the Science of Light (MPL) er nu lykkedes med at videreudvikle en fotonisk struktur kendt fra kvanteoptikken – den plane optiske antenne – til brug i vandige medier til at overvåge dynamiske processer. Dette gør det muligt at observere konformationelle ændringer af individuelle biomolekyler med den højeste tidsmæssige opløsning.

For at opnå denne opløsning opsamler den såkaldte "optofluidantenne" de fotoner, der udsendes af individuelle fluorescerende molekyler med cirka 85 % effektivitet. Med så høj effektivitet er forskerne i stand til at opnå en tidsopløsning i mikrosekundersområdet. Enheden kan nemt integreres i mange eksisterende mikroskopiopsætninger og tilføjer endnu et værktøj, der giver en høj tidsmæssig opløsning i laboratoriet.

At studere biomolekylers komplicerede indre dynamik i et flydende miljø med enkeltmolekyleopløsning er af stor interesse for biovidenskaberne.

Fluorescensmålinger er i øjeblikket hjørnestensteknikken til at dechifrere hurtige og langsomme dynamiske processer. Her er særlige sektioner af biomolekylerne markeret med fluorescerende farvestofmolekyler. Når de exciteres med laserlys, detekteres ændringer i deres position i forhold til hinanden ved at måle de udsendte fotoner. Indsamlingsmetoden begrænser dog antallet af fluorescensfotoner, der kan optages pr. tidsinterval, hvilket begrænser den tidsmæssige opløsning.

I værket, udgivet i Nature Communications , viser holdet ledet af professor Stephan Götzinger og professor Vahid Sandoghdar en helt ny, højeffektiv målemetode, der er baseret på strukturer kendt fra solid-state kvanteoptikken.

Fysikere udviklede konceptet med den plane optiske antenne for cirka 10 år siden, og i modsætning til konventionelle optiske antenner kan en plan antenne realiseres uden metalliske nanostrukturer. Gennem en smart modifikation er de nye optofluidiske antenner i stand til at indsamle fotoner udsendt af et enkelt biomolekyle i opløsning med ekstrem høj effektivitet (85%).

Antennen består af et glassubstrat og et flere hundrede nanometer tykt lag vand indeholdende de biomolekyler, der skal undersøges. Det tynde lag vand skabes af en mikropipette placeret blot et par hundrede nanometer over substratet. Ved at påføre et defineret tryk styres formen af ​​vandmenisken i pipetten.

Vandlagets aksiale grænse tvinger molekylerne til at diffundere gennem midten af ​​laserfokus og øger dermed den såkaldte lysstyrke. Antennen øger fluorescenssignalet fra molekylerne cirka fem gange. Samtidig bremser vand-luft-grænsefladen diffusionen af ​​molekyler, mens antennegeometrien øger sandsynligheden for, at et molekyle vender tilbage til fokus.

MPL-forskerne demonstrerer ydeevnen af ​​den optofluidiske antenne sammen med gruppen af ​​professor Claus Seidel, Universitetet i Düsseldorf, ved at undersøge ændringen i overensstemmelse af et specifikt arrangeret DNA – DNA-firevejsforbindelsen.

To af benene i krydset er markeret med et Förster resonance energy transfer (FRET) par, hvor antallet af fotoner udsendt af hver af de to FRET partnere ændres med afstanden mellem de to ben. Ved hjælp af FRET-baner var forskerne i stand til at bevise, at en formodet konformationstilstand ikke forekommer og give en øvre grænse for dens levetid. Den nye antenne kan spore dynamikken i DNA fire-vejs krydsning med en tidsmæssig opløsning på blot et par mikrosekunder.

"Vores optofluidantenne fungerer så godt på grund af den forbedrede fotonopsamlingseffektivitet fra langsommere diffuserende molekyler i den rumligt begrænsede kanal," siger professor Stephan Götzinger.

"Antennen er en kraftfuld enhed til undersøgelser inden for biovidenskab. Den er ikke kun nem at bruge, men kan også nemt integreres i mange eksisterende mikroskopi-opsætninger," tilføjer professor Vahid Sandoghdar.

Flere oplysninger: Luis Morales-Inostroza et al., En optofluidisk antenne til forbedring af følsomheden af ​​enkelt-emittermålinger, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46730-w

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Max Planck Institute for the Science of Light