18 september, 2018 — University of Oregon -kemister har skapat en ny klass av fluorescerande färgämnen som fungerar i vatten och avger färger baserade enbart på diametern på cirkulära nanorör gjorda av kol och väte.

Teamet med sex medlemmar rapporterade upptäckten, som nu utforskas för dess potentiella användning vid biologisk avbildning, i ett öppet papper publicerat online den 30 augusti, före tryckning i tidningen ACS Central Science .

Papperet beskriver hur de syntetiserade organiska molekylerna som kallas nanohoops, som till en början inte var vattenlösliga, manipulerades med en kemisk sidokedja för att tillåta dem att passera genom cellmembran och behålla sina färger i levande celler.

I åratal, forskare som är involverade i biologisk forskning och medicinsk diagnostik har förlitat sig på kemiska föreningar som kallas fluoroforer, som har platta strukturer och avger olika färger vid ljus excitation, för att märka specifika biologiska molekyler. Potentialen för cirkulära strukturer att tillhandahålla nya fluorescerande egenskaper är långt mindre undersökt.

Nanohoops, som är korta cirkulära skivor av kolnanorör, kan möjliggöra användning av flera fluorescerande färger, utlöst av en enda excitation, att samtidigt spåra flera aktiviteter i levande celler, sade studieförfattaren Ramesh Jasti, professor vid UO:s institution för kemi och biokemi och medlem i Materials Science Institute.

"Nanohoops fluorescens moduleras annorlunda än de flesta vanliga fluoroforer, vilket tyder på att det finns unika möjligheter att använda dessa nanohoopfärgämnen i avkänningsapplikationer, "sa medförfattaren Michael Pluth, också professor vid UO:s institution för kemi och biokemi. "Dessa färgämnen behåller sin fluorescens vid ett brett intervall av pH -värden, gör dem funktionella och stabila fluoroforer över ett brett spektrum av sura och grundläggande förhållanden. "

Forskare i laboratorierna Jasti och Pluth samarbetade kring forskningen, som finansierades av National Science Foundation, National Institutes of Health, Sloan Foundation och Camille och Henry Dreyfus Foundation.

Nanohoops har en exakt atomkomposition, Sa Jasti. När en kemisk sidkedja designades av studiens huvudförfattare Brittany M. White, en doktorand i Jastis labb, nanohoops blev lösliga och passerade fritt genom cellmembran men gick inte till särskilda platser.

"Cirkulära strukturer som dessa nanohoops löser sig i vattenhaltiga medier bättre än platta strukturer, "Sa Jasti." Vi kom på detta genom att bara göra det. Det var inte en del av planen. Vi ville bara göra kol -nanostrukturer på ett ultrarent sätt. De ljusa utsläppen från de olika storlekar de producerade hände precis. Det är ett nanoskala fenomen. "

I ett nästa steg, medförfattare Yu Zhao, en postdoktor i Pluths lab, undersökte var nanohoops skulle in i cellerna och om de kan vägledas till specifika platser inuti cellerna. En extra sidkedja innehållande folsyra ledde nanohoops till cancerceller.

"Den framgången berättade för oss att dessa nanohoops kan transporteras till olika typer av celler eller till och med intracellulära fack, "Sa Jasti." Detta föreslog också deras möjliga användning inom medicinsk diagnostik eller till och med läkemedelsleverans, eftersom våra nanohoops enkelt kan bära små fack som går till specifika platser. "

Toxicitetsnivåer för nanohoops, han lade till, är inte annorlunda än i traditionellt använda fluorescerande färgämnen.

I en nyfinansierad insats, Jasti arbetar med Xiaolin Nan vid Institutionen för biomedicinsk teknik vid Oregon Health &Science University i Portland för att driva användningen av nanohoops i biologisk avbildning. Projektet är bland 10 finansierade under 2018 OHSU-UO Collaborative Seed Grant-programmet. Pluth är mottagare av ett separat fröbidrag i programmet.

"Vi har aldrig sett någonting liknande dessa nanohoops i färgämnets värld tidigare, "sade studieförfattaren Bruce P. Branchaud, professor emeritus i kemi och biokemi vid UO och framstående forskare vid Cancer Early Detection Advanced Research Center vid OHSU:s Knight Cancer Institute.

"Alla andra färgämnen har varit platta, medan dessa nanohoops är icke-plana cirklar, "sa han." Deras unika strukturer ger unika egenskaper som vi tänker utveckla och utnyttja för betydande nya bidrag till kemisk biologi, bioteknik, biomedicinsk vetenskap och medicin. "