_ Urmărirea dinamicii biomoleculelor cu antene optofluidice

Pentru a înțelege mai bine procesele fundamentale din știința vieții la nivel molecular, observarea precisă a dinamicii unei singure molecule este de maxim interes. Cu toate acestea, tehnicile actuale bazate pe măsurătorile fluorescenței în soluții apoase nu sunt capabile să urmărească modificările structurii moleculare cu o rezoluție temporală suficientă.

Fizicienii de la Institutul Max Planck pentru Știința luminii (MPL) au reușit acum în continuare. dezvoltarea unei structuri fotonice cunoscute din optica cuantică - antena optică plană - pentru utilizare în medii apoase pentru a monitoriza procesele dinamice. Acest lucru permite observarea modificărilor conformaționale ale biomoleculelor individuale cu cea mai mare rezoluție temporală.

Pentru a obține această rezoluție, așa-numita „antenă optofluidică” colectează fotonii emiși de moleculele fluorescente individuale cu o eficiență de aproximativ 85%. Cu o astfel de eficiență ridicată, cercetătorii sunt capabili să atingă o rezoluție de timp în intervalul de microsecunde. Dispozitivul poate fi integrat cu ușurință în multe configurații de microscopie existente și adaugă un alt instrument care oferă o rezoluție temporală ridicată în laborator.

Studiarea dinamicii interne complicate a biomoleculelor într-un mediu lichid cu rezoluție cu o singură moleculă este de mare interes pentru științele vieții.

Măsurătorile de fluorescență reprezintă în prezent tehnica de bază pentru descifrarea proceselor dinamice rapide și lente. Aici, secțiuni speciale ale biomoleculelor sunt marcate cu molecule de colorant fluorescent. Când sunt excitate cu lumina laser, modificările poziției lor una față de alta sunt detectate prin măsurarea fotonilor emiși. Cu toate acestea, metodologia de colectare limitează numărul de fotoni de fluorescență care pot fi înregistrați pe interval de timp limitând astfel rezoluția temporală.

În lucrarea, publicată în Nature Communications, echipa condusă de profesorul Stephan Götzinger și profesorul Vahid. Sandoghdar prezintă o metodă de măsurare complet nouă, extrem de eficientă, care se bazează pe structuri cunoscute din optica cuantică în stare solidă.

Fizicienii au dezvoltat conceptul de antenă optică plană în urmă cu aproximativ 10 ani și în contrast cu antenele optice convenționale , o antenă plană poate fi realizată fără nanostructuri metalice. Printr-o modificare inteligentă, noile antene optofluidice sunt capabile să colecteze fotonii emiși de o singură biomoleculă în soluție cu o eficiență extrem de ridicată (85%).

Antena este formată dintr-un substrat de sticlă și un strat de apă mai multe grosime de sute de nanometri conținând biomoleculele de examinat. Stratul subțire de apă este creat de o micropipetă poziționată la doar câteva sute de nanometri deasupra substratului. Prin aplicarea unei presiuni definite, forma meniscului de apă din pipetă este controlată.

Granita axială a stratului de apă forțează moleculele să difuzeze prin centrul focalizării laser și astfel crește atât numită luminozitate. Antena mărește semnalul de fluorescență al moleculelor de aproximativ cinci ori. În același timp, interfața apă-aer încetinește difuzia moleculelor, în timp ce geometria antenei crește probabilitatea ca o moleculă să revină la focalizare.

Oamenii de știință MPL demonstrează performanța antenei optofluidice împreună cu grupul profesorului Claus Seidel, Universitatea din Düsseldorf, prin examinarea modificării conformității unui ADN aranjat în mod specific - joncțiunea cu patru căi ADN.

Două dintre picioarele joncțiunii sunt marcate cu o pereche de transfer de energie de rezonanță Förster (FRET), în care numărul de fotoni emiși de fiecare dintre cei doi parteneri FRET se modifică odată cu distanța dintre cele două picioare. Folosind traiectorii FRET, cercetătorii au reușit să demonstreze că o stare conformațională suspectată nu are loc și să ofere o limită superioară pentru durata sa de viață. Noua antenă poate urmări dinamica încrucișării ADN-ului în patru direcții cu o rezoluție temporală de doar câteva microsecunde.

„Antena noastră optofluidică funcționează atât de bine datorită eficienței îmbunătățite a colectării fotonilor din moleculele cu difuzie mai lentă din canal limitat din punct de vedere spațial”, spune profesorul Stephan Götzinger.

„Antena este un dispozitiv puternic pentru investigații în științele vieții. Nu este doar ușor de utilizat, dar poate fi și ușor integrată în multe configurații de microscopie existente ”, adaugă profesorul Vahid Sandoghdar.

(Fluierul)