Forskare vid Oxford University har utvecklat en ljusbaserad mätteknik som kan förändra vår förmåga att karakterisera biomolekyler.

Med hjälp av ett mikroskop som upptäcker ljusspridning snarare än fluorescens, forskarna har visat att enstaka molekyler kan observeras, och deras massa mätt, i lösning.

Forskningen, genomförs i samarbete med institutioner i Tyskland, Sverige, Schweiz och USA, redovisas i journalen Vetenskap .

Senior författare professor Philipp Kukura, från Oxfords Department of Chemistry, sa:'Denna forskning har kommit ur ett decennium av arbete som innebar att göra ett allt känsligare ljusmikroskop.

"Enstaka molekyler har observerats i ljusmikroskop sedan slutet av 1980-talet, men i princip alla optiska tekniker är beroende av fluorescens, som är emissionen av ljus från ett material efter att ha "exciterats" av absorptionen av elektromagnetisk strålning. Så oerhört kraftfullt som det är, det är inte universellt.'

Forskarna demonstrerade först användningen av ljusspridning för att visualisera enskilda proteiner – biomolekyler bara några nanometer tvärs över – 2014. Men det var inte förrän förra året som de kunde förbättra bildkvaliteten tillräckligt för att konkurrera med fluorescens.

Professor Kukura sa:'Vi tog upp frågan om vi kunde använda vår visualiseringsmetod för att kvantifiera, istället för att bara upptäcka, enstaka molekyler. Vi insåg, med tanke på att volymen och optiska egenskaper hos biomolekyler skalas direkt med massa, att vårt mikroskop ska vara masskänsligt. Detta visade sig verkligen vara fallet, inte bara för proteiner utan också för molekyler som innehåller lipider och kolhydrater.'

Det är denna generalitet som upphetsar författarna. Professor Justin Benesch vid Oxfords kemiavdelning, en expert på massmätning och medförfattare till verket, sa:'Det fina med massa är att det både är en universell egenskap hos materia och extremt diagnostiskt för den molekyl som undersöks. Vårt tillvägagångssätt är därför brett tillämpligt och, till skillnad från traditionell enmolekylmikroskopi, förlitar sig inte på tillägg av etiketter för att göra molekyler synliga.'

Forskarna säger att tekniken - som de kallar interferometrisk spridningsmasspektrometri (iSCAMS) - kan ha tillämpningar som sträcker sig från studier av protein-proteininteraktioner till läkemedelsupptäckt och till och med point-of-care diagnostik.

Professor Kukura sa:'iSCAMS har många fördelar. Den mäter massa med en noggrannhet nära den för den senaste masspektrometrin, som är dyrt och fungerar i vakuum – inte nödvändigtvis representativt för biologiska system – medan iSCAMS gör det med endast en mycket liten provvolym och fungerar i praktiskt taget alla vattenhaltiga miljöer.'

Professor Benesch tillade:"Detta möjliggör många av de saker som forskare vill kvantifiera:interagerar vissa molekyler och, om ja, hur tätt? Vad är proteinets sammansättning sett till hur många bitar det innehåller, och hur växer den eller faller isär?'

Eftersom i huvudsak varje fysiologisk och patologisk process styrs av biomolekylära interaktioner i lösning, forskarna säger att denna teknik har betydande potentiella effekter. Professor Kukura sa:'Den universella tillämpbarheten, kombinerat med det faktum att instrumenten är nära skokartongstorlek, kan lätt manövreras, och låter användaren se molekylerna i realtid, är oerhört spännande.'

Teamet håller på att kommersialisera tekniken för att ge tillgång till andra forskare som inte är experter eller kanske inte ens använder optisk mikroskopi. Forskarna säger:'Det har potentialen, Vi tror, att revolutionera hur vi studerar biomolekyler och deras interaktioner.'

Uppsatsen "Quantitative mass imaging of single biologiska macromolecules" kommer att publiceras i tidskriften Vetenskap .