Det är alltid bra när din intuition visar sig vara rätt, men forskare vid Rice University som studerade proteiner och partiklar hade mer "rätt" än de förväntade sig.

Riskemisterna Christy Landes och Stephan Link och huvudförfattaren och Smalley-Curl postdoktor Qingfeng Zhang rapporterade denna vecka i Vetenskap att bovint serumalbumin (BSA), ett standardprotein i nano-biolabbexperiment, är benägen att trycka in guld nanorods i högerhänta kirala sammansättningar – samtidigt som de producerar kirala plasmoniska signaler som matchar.

Resultatet var en överraskning för forskarna som satte sig för att reda ut de mystiska interaktionerna i blandningar av BSA och guld nanorods:aggregeringen av metalliska nanopartiklar till kirala sammansättningar, proteinkiralitet, och de resulterande plasmoniska egenskaperna. Ljus utlöser blandningar av partiklar och proteiner för att sprida polariserat ljus, men hittills har forskare inte vetat vilka interaktioner inom blandningen som var ansvariga för signalen och, viktigast för framtida avkänningstillämpningar, om de kunde förfinas.

Verket antyder att det kan bli möjligt att känna handigheten, eller kiralitet, av enskilda proteiner, en potentiell välsignelse för läkemedelsföretag som kräver läkemedelsrenhet. En molekyl med rätt kiralitet kan rädda ett liv, medan samma molekyl med motsatt kiralitet kan vara mycket giftig.

Risexperimenten avslöjade kiralitet på flera nivåer i hur BSA-proteiner fick de 100 nanometer långa partiklarna att anpassa sig och i hur partiklarnas plasmoner svarade på ljus i de mycket mindre proteinernas närvaro. (Plasmoner är resonerande elektronvågor som krusar längs ytan av en metallpartikel när de utlöses av ljus.)

Svaret mättes som cirkulär dikroism (CD), vilket är ett sätt att mäta om en ljusvågs elektriska fältrotation har en preferentiell interaktion med material i antingen medurs (höger) eller moturs (vänster) riktning.

CD-signaler är vanligtvis svaga, men ändå hjälpa till att karakterisera den genomsnittliga konformationen av proteinensembler. I Rice-studien, plasmoner fungerade som antenner för att förstärka CD från de ytadsorberade kirala proteinerna, skifta signalen från det ultravioletta till det synliga, hänvisad till som plasmonkopplad-CD.

Link sa att plasmonkopplad CD tidigare hade observerats för blandningar av enstaka nanopartiklar, aggregat och kirala molekyler, men ingen studie förrän nu avslöjade om alla molekyler och nanopartiklar bidrog lika till signalen.

Det gör de inte i det här fallet. Studien visade att endast aggregerade nanorod-proteinkomplex producerar en CD-signal, orsakas både av proteiner i luckorna mellan nanopartiklar och av kirala nanopartikelsammansättningar.

Det var en total överraskning, Landes sa, att proteiner styrde sammansättningen av kirala nanorods på ett sådant sätt att sammansättningens handenhet matchade proteinernas handenhet. "Vi försökte testa en hypotes om ursprunget till den kirala signalen som andra människor har rapporterat i studier av nanopartikelensembler, " sa hon. "Är det från kirala nanostrukturer? Är det från proteinet? Och vi upptäckte att det är både och.

"Dessutom, proteinbiomolekylen med en preferentiell handenhet inducerar den handenheten i mycket större nanorodaggregat, " sa Landes. "Det var den upptäckten vi helt enkelt inte förväntade oss."

Länk förklarad nanorod kiralitet är en fråga om positionering. "Två vinkelräta nanorodar är akirala, " sa han. "Om de är parallella, de är achirala. Men om de är inriktade i andra vinklar, de är kirala. Svårigheten var att designa ett experiment för att avgöra var CD:n kommer ifrån när du har blandningar av proteiner, nanorods och akirala och kirala aggregat."

Med hjälp av en ny teknik som utvecklats i Link-labbet som kallas single-particle circular differential scattering (CDS) spektroskopi, forskarna bekräftade att endast aggregerade nanorod-BSA-komplex uppvisade kiralitet. När aggregaten exciterades med synligt ljus, antenneffekten av de plasmoniska heta fläckarna förstärkte det normalt svaga kirala svaret hos proteiner i mellanpartiklarna.

Nyckeln till deras framgång, Landes sa, var ett anpassat bildbehandlingsprogram av Rice doktorand och medförfattare Rashad Baiyasi som lät dem identifiera enskilda partiklar och små aggregat bland nanoskalaproverna och sedan relatera spektroskopin till hot spots och preferensordning.

Vårsabbatsår för både Landes och Link visade sig vara perfekt timing för projektet också, när de fick uppmärksamhet av medförfattaren Jennifer Dionne, chef för Stanford Photonics Research Center och en specialist på kryogen elektronmikroskopi. Dionne visade att frysning av partikelproteinlösningarna skulle göra det möjligt för forskarna att direkt se hur partiklarna anpassade sig i 3-D.

Det hjälpte till att eliminera all osäkerhet om att tillplattning av de kirala enheterna på en yta förändrade signalen.

I ett annat experiment, forskarna ersatte BSA med löst bordssalt för att se hur partiklarna reagerade. De fann att nanoroderna skulle samlas, men i en blandning av akirala och kirala arrangemang med samma mängd vänster- och högerhänta arter utan en övergripande föredragen handenhet, och därför utan en ensemble CD-signal. "Det bekräftade att BSA påverkar bildandet av en viss handenhet av nanostrukturer, ", sa Link. "Vi vet fortfarande inte varför eller hur allmänt detta fenomen är."

Landes sa att forskarna är "ungefär 14 steg" från att bedöma kiraliteten hos ett enda protein. Om det överhuvudtaget är möjligt, hon sa att Rice-upptäckten kan ge den enda vägen mot etikettfri avkänning av enstaka proteinkonformationer. Det har ett värde utöver mått för farmaceutiska kemister som kämpar för att skapa partier av proteiner med en viss handenhet, en kritisk faktor i läkemedelsdesign.

"Den ultimata drömmen har två delar:Den ena är att vi kan upptäcka konformationer av enskilda proteiner dynamiskt, och den andra är att vi kan göra det inuti levande vävnad, ", sa Landes. "Det finns inget sätt någonsin att du kan använda (osynligt) ultraviolett ljus för att göra det. Det enda sättet att avbilda inuti något levande - en cell eller ett djur - vore att flytta ljuset till det röda, som vi har gjort i dessa experiment."