Betraktas ofta som kroppens arbetshästar, proteiner är bland de viktigaste biomolekylerna som är kritiska för livsprocesser. De ger strukturell grund för celler och vävnader och utför en svindlande uppsättning uppgifter, från att metabolisera energi och hjälpa celler att kommunicera med varandra till att försvara kroppen från patogener och styra celldelning och tillväxt.

Eftersom proteindysfunktion är inblandad i så många allvarliga sjukdomar, proteiner är de primära målen för de flesta terapeutiska läkemedel.

I en ny studie, Shaopeng Wang och hans kollegor beskriver en metod för att undersöka proteiner i detalj. Att göra detta, hans grupp använder smart ett fenomen som kallas ytplasmonresonans (SPR), införliva det i en innovativ typ av mikroskop.

Medan SPR har varit en kraftfull teknik för att undersöka världen för de allra små, inklusive växelverkan mellan bakterier och virus, studien markerar det första tillfället då SPR framgångsrikt har använts för att avbilda enstaka molekyler, I detta fall, proteiner. Den nya metoden är känd som plasmonspridningsmikroskopi.

Enligt Wang:"Loppet för att utveckla denna teknik började faktiskt för 20 år sedan." Tillsammans med huvudförfattaren NJ Tao beräknade gruppen att en modifierad form av SPR ska ha känslighet för att lösa enskilda proteiner, även om det krävdes mycket förberedande arbete för att detta skulle bli verklighet.

Wang är forskare vid Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. Den nya forskningen visas i det avancerade online -tillägget av tidskriften Naturmetoder . Pengfei Zhang, en postdoc i mitten, är huvudförfattare till tidningen.

Genom att använda SPR kan forskare undersöka dynamiken i cellytproteiner-primära mål för läkemedelsdesign-som är särskilt utmanande att observera med hjälp av röntgenkristallografi eller NMR-spektroskopi, de två konventionella teknikerna brukar användas för att karakterisera proteiner.

Men vad är en ytplasmon? "En egenskap hos metall är att du har många fria elektroner, "Wang säger, med hänvisning till elektroner som inte är bundna till atomer. "När tillståndet för infallande ljus på dessa elektroner är precis rätt, energin i ljuset får dessa elektroner att resonera. Dessa oscillerande elektroner producerar en våg över metallytan. Detta är ytplasmonresonans. "

För att detektera bindningen av en analytmolekyl (som ett protein) till en receptormolekyl med hjälp av SPR, receptormolekylen är vanligtvis immobiliserad på sensorytan och analytmolekylen sätts till en vattenlösning. Polariserat ljus riktas vanligtvis under ytan av en tunn guldfilm, där ytplasmoner genereras i en viss vinkel för det infallande ljuset. Ytbegränsningen av ljus av ytplasmon ses som en minskning av intensiteten hos reflekterat ljus.

När proteinmolekyler binder till immobiliserade receptormolekyler, brytningsindex vid guldytan ändras, förändring av ytplasmonresonansförhållandet och producerande av en ökning av signalintensiteten.

För att förfina och kalibrera systemet, forskarna observerade först bindningshändelser med hjälp av polystyren -nanopartiklar, vars storlek kan kontrolleras exakt. Nanopartiklarna har också fördelen att de ger högre kontrast, underlätta deras upptäckt med SPR. Genom att använda mindre och mindre nanopartiklar kunde gruppen nå de små dimensionerna av ett biologiskt protein.

För att uppnå en så imponerande upplösning, forskarna använde en variant av SPR -tekniken, detektera ljus på proteinbindningshändelserna ovanifrån, snarare än nedan, vilket dramatiskt eliminerar bakgrundsbrus, ger en skarp bild. Eftersom bundna proteiner sprider SPR -ljuset i alla riktningar, upptäckt från toppen undviker reflekterat ljus, förbättrar bildkvaliteten kraftigt.

Wang liknar effekten med att se stjärnor mot bakgrundens mörker, medan stjärnor är osynliga för ögat mot dagsljusets bullriga bakgrund. Detektering av enstaka proteiner kan realiseras utan en mycket kraftfull ljuskälla, eftersom SPR ger stark förbättring av ljusfältet nära sensorytan, klargöra proteinsignalen.

Genom att slå in på proteinbindningsaffinitet, en av de viktigaste parametrarna för utformningen av säkrare, mer effektiva läkemedel, den nya SPR -tekniken bör ha en ljus framtid inom den biomedicinska arenan samt belysa grundläggande frågor på molekylär skala.