Forskere udvikler en effektiv og tilgængelig platform med et enkelt molekyle til påvisning af forskellige amylinarter

Et forskerhold ledet af Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har udviklet en optisk plasmonisk pincet-styret Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) platform, der anvender on-and-off kontrol af lys til at sondere forskellige amylinarter i blandinger på enkeltmolekyleniveau, afsløring af de heterogene strukturer af pH-afhængige amylinarter og hemmelighederne bag amyloidaggregationsmekanismer forbundet med type 2-diabetes.

Ved at fjerne ensemblegennemsnit, skelner enkeltmolekyleteknikker signalet fra individuelle molekyler for at afsløre skjulte detaljer og revolutionere vores forståelse af komplekse og heterogene molekylære systemer. Nuværende enkeltmolekyletilgange er begrænset til ultrafortynding og/eller molekylær immobilisering, fordi det diffraktionsbegrænsede detektionsvolumen ikke kan reduceres yderligere.

Hvorimod visse biomolekyler engagerer sig i forskellige interaktioner, der er væsentligt påvirket af koncentrationer. For eksempel, som et typisk iboende forstyrret protein, mangler humant Islet Amyloid Polypeptid (amylin, hIAPP) stabile sekundære strukturer, men har en aggregeringstilbøjelighed styret af miljøfaktorer, såsom koncentration og pH, til at danne forskellige oligomere mellemprodukter og amyloidfibriller i type II diabetes patienter.

Den molekylære mekanisme forbliver uklar på grund af udfordringerne med at detektere de sjældne, forbigående og heterogene amylinarter i en dynamisk blanding, hvilket kræver udvikling af avancerede enkeltmolekylemetoder.

I et nyligt gennembrud har forskerholdet ledet af prof. Huang Jinqing, adjunkt ved HKUSTs afdeling for kemi med succes udviklet en ny enkeltmolekyleplatform, der kombinerer optisk plasmonisk manipulation og SERS-måling for at reducere detektionsvolumen og øge signalforstærkningen, hvilket muliggør effektiv og high-throughput enkeltmolekyle karakterisering for at studere pH-afhængige amylinarter ved fysiologiske koncentrationer.

Specifikt konstruerede holdet en plasmonisk forbindelse mellem to Ag-nanopartikel-coatede silica-mikroperler for at fange en ekstra Ag-nanopartikel for at danne en dynamisk nano-kavitet ved laserbestråling, som kunne indkapsle et enkelt eller nogle få molekyler til følsomme SERS-karakteriseringer.

Da både optisk plasmonisk fældefangst og SERS-fænomener er rumligt begrænset i nanometerskalaen, overskrider det den optiske diffraktionsgrænse for at muliggøre præcis positionskontrol, minimere detektionsvolumen og øge SERS-forbedring samtidigt.

Derudover er de konstruerede Ag nanopartikel-coatede silica mikroperle dimerer mere stabile end de konventionelle Ag nanopartikler samles i opløsninger, hvilket gør det nemmere at observere og lokalisere plasmonforbindelsen på almindelige mikroskoper for at forbedre effektiviteten og reproducerbarheden. Ved at skifte laserlyset mellem "tændt" og "slukket" kan forskerne styre den optiske plasmoniske fældefangning for at modulere samlingen og demonteringen af ​​den dynamiske nanokavitet til højhastighedsprøvetagning og samtidige SERS-målinger.

Ved at bruge denne effektive enkelt-molekyle platform udnyttede forskerholdet en statistisk signifikant mængde af SERS-spektre, der ligger til grund for de strukturelle træk ved forskellige amylinarter under to forskellige fysiologiske betingelser:de sekretoriske granuler af pancreas-β-celler ved pH 5,5 og de ekstracellulære rum ved pH 7.4, henholdsvis.

To typer lavbefolkede amylinarter blev identificeret ud fra deres dominerende monomerer på det tidlige stadie af amyloidaggregering i neutral pH, indeholdende en kritisk drejningsstruktur eller en kort β-hårnål med begrænset C-terminal som understøttet af molekylær dynamik (MD) simuleringer .

Et sådant lille skift i ligevægten mellem forskellige amylinarter kunne drive irreversibel amyloidudvikling selv efter efterjustering af pH fra 7,4 til 5,5. Derfor indikerer den direkte strukturelle karakterisering af disse amylinarter i heterogene blandinger virkningen af ​​pH på deres intra- og intermolekylære interaktioner og kaster lys over mekanismen bag pH-reguleret amyloid-aggregering for at forstå type 2-diabetes.

"Vi præsenterer en nem at bruge strategi, der reducerer detektionsvolumen, forbedrer molekylært signal og øger omsætningseffektiviteten," forklarede prof. Huang. "Vores enkeltmolekyleplatform kan erhverve en stor mængde SERS-spektre som molekylære snapshots, sammenlignelige med dem, der opnås gennem MD-simuleringer. Ved statistisk at analysere de strukturelle detaljer på enkeltmolekyleniveau er vi i stand til at rekonstruere bulk-egenskaberne og opnå unikke indsigt i populationen og sandsynligheden for specifikke molekyletyper inden for den heterogene blanding Det har potentialet til at afsløre skjulte mysterier i komplekse systemer."

Undersøgelsen blev for nylig offentliggjort i Nature Communications .

Flere oplysninger: Wenhao Fu et al., Effektiv optisk plasmonisk pincet-kontrolleret enkelt-molekyle SERS karakterisering af pH-afhængige amylinarter i vandige miljøer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42812-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Hong Kong University of Science and Technology