Peng Zhang och hans medarbetare studerar anmärkningsvärt, små självmonterande kluster av guld och protein som lyser djärvt rött. Och de är användbara:protein-guld nanokluster kan användas för att upptäcka skadliga metaller i vatten eller för att identifiera cancerceller i kroppen.

"De här strukturerna är mycket spännande men är mycket, mycket svårt att studera. Vi provade många olika verktyg, men ingen fungerade, säger Zhang, en professor vid Dalhousie University.

Men synkrotronröntgenabsorptionsspektroskopi, eller XAS, gjort på Canadian Light Source och dess partneranläggning CLS@APS, gav den nödvändiga insikten för att identifiera den överraskande eleganta strukturen hos de glödande nanoklusterna i proteinguld.

"Synchrotron XAS är det perfekta verktyget, eftersom det är väldigt flexibelt, och kan ge dig strukturell information om specifika element, " han säger.

Strukturen för dessa kluster hade varit en långvarig fråga på området, delvis på grund av deras potentiella användningsområden.

I labbet, forskare har visat att införande av andra metaller till proteinguldlösningen kan släcka nanogoldens djärva glöd, en egenskap som skulle kunna användas för att upptäcka metallföroreningar i floder och andra vattendrag. Där metaller fanns i ett vattenprov, nanogolden skulle sluta lysa.

Ännu mer spännande är de potentiella hälsotillämpningarna för dessa kluster.

Nanogold och proteiner är en naturlig passform för hälsoteknologi, eftersom proteiner är en naturligt förekommande del av människokroppen, och guld är helt giftfritt (det är därför det kan användas för att dekorera choklad och finns i vissa typer av snaps)

Kopplat med rätt "detektor" eller "linker" proteiner, glödande nanogold kan användas för att exakt visualisera, till exempel, cancertumörer. Rätt länkprotein skulle helt enkelt fästa nanogolds till sjuka celler, som sedan kunde lokaliseras med ett fluorescensmikroskop.

Allt detta är möjligt på grund av nanogoldets förmåga att glöda.

Guld som vi brukar känna det, i bulk, lyser inte, eller luminescera, under UV-ljus. Lägg till protein som bas för guldnanokluster, och de kommer att lysa klart rött under UV-ljus. Faktiskt, nanoguldet är en miljon gånger mer självlysande än bulkguld.

Denna guldluminescens möjliggörs av dess specifika struktur i proteinguld nanokluster:vad Zhang beskriver som en "vacker och överraskande struktur" av tio guldatomer, bildar två sammankopplade ringar.

Proteinet fungerar som en slags ställning, ger guldet en stark struktur och stärker dess glöd.

Dessa kluster kan självmontera under rätt förhållanden, erbjuder en låg kostnad, lågenergiproduktionsmetod.

Ett typiskt nanokluster är tillverkat med en exakt mängd kemikalier som går igenom specifika steg, och kan leda till föroreningar. Produktionen för dessa kluster, däremot kunde inte vara enklare.

Zhangs team värmde en blandning av en kommersiell guldförening och proteiner i vatten upp till kroppstemperatur, 37C. Och efter 10-20 timmar, de självlysande nanogold-klustren bildades. Inga andra steg krävs för att skapa de självlysande klustren.

Processen är känd som grön kemisk syntes, och skär ut de föroreningar som annars skulle kunna förknippas med dessa kluster.

"Vi använde synkrotronen för att följa hur dessa vackra strukturer bildas i proteinet, " säger Zhang. Proteinet fungerar i huvudsak som en minireaktor, med sina cysteinaminosyror som länkar till guldmolekylerna och drar dem i form. Dessa experiment utfördes av Daniel Chevrier, en doktorsexamen student i Zhangs grupp.

Teamet skapade också kluster mer konventionellt, för att verifiera sin teknik.

"Om du inte använder protein, ja du får en väldigt liknande struktur, men du ser inte den starka fluorescensen. Vad hände? "Frågar Zhang.

För att svara på denna fråga, hans team jämförde konventionellt producerade och självmonterade guldkluster, både med och utan proteiner.

Med hjälp av synkrotron, de visade att proteinet inte bara möjliggör självmontering, men håller klustren på plats.

"Proteinet fryser i huvudsak guldklustret så att de inte kan röra sig fritt, och då kan du se den starka fluorescensen, "säger Zhang. Ett fritt rörligt kluster, däremot vrider och rör sig, vilket försvagar fluorescensen.

"Vi är så glada över dessa nya fynd. Både guld och protein är mycket intressanta material och när du kombinerar dessa två får du något ännu mer intressant, och potentiellt användbara, säger Zhang.