Guldnanopartiklar ger oss en bättre förståelse av enzymer och andra molekyler. Biswajit Pradhan, Ph.D. kandidat vid Leiden Institute of Physics, använder guldnanoroder för att studera enskilda molekyler som skulle vara utmanande att upptäcka annars. Resulterande kunskap kan tillämpas på många forskningsområden, såsom att förbättra solcellseffektivitet och fototerapi mot cancer.

Organismer trivs med dussintals biomolekylära aktiviteter, med enzym som spelar en viktig roll. Till exempel, de hjälper till att bryta ner stärkelse till mindre sockerarter. Andra enzymer spelar viktiga roller för att bryta ner proteiner. För att bättre förstå dessa aktiviteter, forskare använder olika tekniker för att synliggöra de involverade molekylerna. Fluorescensmikroskopi är en av de tekniker som vanligtvis används för detta.

Problemet forskare ibland möter är att vissa molekyler inte kan detekteras eftersom de inte avger ljus. Därför, Pradhan arbetade med en lösning. "Jag fäst enstaka molekyler till guldnanoroder. Nanoroderna fungerar som mycket små antenner genom att avge ljus, förstärkning av fluorescensen hos den bifogade molekylen. Detta gör att vi kan studera enstaka proteiner eller andra komplex som annars inte kan detekteras genom fluorescens. "

Pradhan använde guldnanoroderna för att studera enzymatisk aktivitet i azurin. Detta enzym finns i bakterier, spelar en roll i denitrifikation. I denna process, bakterier producerar kväve från nitrat. Det är allmänt accepterat att aktiviteten hos de enzymer som är involverade i denna process förblir oföränderlig över små tidsskalor. Dock, Pradhan upptäckte något annat.

"Vi fann att azurin visar lata och upptagna perioder i sin aktivitet på några sekunder. Liksom andra enzymer, azurin omvandlar substrat till produkt. Under de hektiska perioderna enzymet bildar ofta produkter medan det är mindre ofta under lata perioder. Azurin ändrar sin aktivitet genom att ändra sitt strukturarrangemang. Sådan flexibilitet i strukturen kan vara orsaken till bildandet av effektiva enzymer under evolutionen. "

Azurin överför elektroner mellan proteiner. Därför, den kan användas som en sensor för att mäta redoxpotential i en levande cell. Pradhan förklarar:"Energioverföring inom levande celler sker via överföring av elektroner från en biomolekyl till en annan. För el hemma, elektroner flödar från en högpotentialände till en lågpotentialände. Liknande, i celler, elektronöverföring sker från ett protein till ett annat protein i cellen med låg potential. Redoxpotentialen definieras som tendensen hos proteinets omgivning att ge eller acceptera en elektron. "

Pradhan utvecklade en metod för att observera en enda azurin i funktion medan elektronöverföring sker. "Hastigheten med vilken den matar ut och accepterar elektron ger en direkt uppskattning av den omgivande potentialen. Även om vi inte gjorde en sensor, Jag kännetecknade azurins elektronöverföringsegenskaper i min avhandling. "

I ett annat experiment, Pradhan använde DNA som ett verktyg för att styra positionen för enskilda molekyler nära guldnanoroden mycket exakt. "Om antalet byggstenar i en DNA -sträng på varje sträng är mindre än 50, då kommer det dubbelsträngade DNAet att bete sig som en rak stav utan flexibilitet. Tänk dig ett rep på några centimeter långt; du kommer alltid hitta det rakt. Om du ökar repens längd börjar det böjas och vridas. Denna minsta längd över vilken ett rep eller snöre börjar böja kallas uthållighetslängd. "

I sitt experiment, Pradhan fäst permanent ett kort enkelsträngat DNA på spetsen av en guldnanorod. Sedan tillät han komplementära DNA -strängar att sprida sig runt det. "Varje komplementär sträng innehåller den enda molekylen vi vill undersöka. På grund av den svaga bindningen av de korta DNA -strängarna, bindningstiden är kort. Varje komplementär sträng binder tillfälligt och ersätts sedan av en ny komplementär sträng. Detta tillät oss att studera enskilda molekyler på samma nano-antenn. Denna teknik kan tillämpas på många forskningsområden, såsom att förbättra solcellens effektivitet och fototerapi mot cancer. "

Den 3 april 2018 kommer Biswajit Pradhan att försvara sin avhandling, "Fluorescens av enstaka kopparproteiner:dynamisk störning och förbättring av en guldnanorod."