Forskare har banat väg för en ny teknik för att exponera dolda biokemiska vägar som involverar enstaka molekyler på nanoskala.

Ett team av forskare från University of Exeters Living Systems Institute använde ljus för att etablera ett sätt att övervaka strukturen och egenskaperna hos enskilda molekyler i realtid.

Detta innovativa tillvägagångssätt har gjort det möjligt för teamet att tillfälligt överbrygga molekyler för att ge en avgörande lins i deras dynamik.

Studien publiceras i den ledande tidskriften Naturkommunikation .

Strukturen hos enskilda molekyler och deras egenskaper, såsom kiralitet, är svårt att undersöka.

I den nya studien, ledd av professor Frank Vollmer, gruppen kunde observera reaktioner på nanoskala som annars skulle vara otillgängliga.

Tiol/disulfidutbyte - eller det huvudsakliga sättet på disulfidbindningar bildas och omarrangeras i ett protein - har ännu inte granskats fullständigt vid jämvikt på enkelmolekylnivå, delvis för att detta inte kan lösas optiskt i bulkprover.

Dock, ljus kan cirkulera runt mikronstora glaskulor för att bilda resonanser. Det fångade ljuset kan sedan upprepade gånger interagera med sin omgivning. Genom att fästa guld nanopartiklar till sfären, ljus förstärks och spatialt begränsat till storleken på virus och aminosyror.

Den resulterande optoplasmoniska kopplingen möjliggör detektering av biomolekyler som närmar sig nanopartiklarna medan de fäster vid guldet, lösgöra, och interagera på olika sätt.

Trots känsligheten hos denna teknik, det saknas specificitet. Molekyler så enkla som atomjoner kan detekteras och viss dynamik kan urskiljas, men vi kan inte nödvändigtvis diskriminera dem.

Serge Vincent anmärker:"Det tog lite tid innan vi kunde begränsa hur man på ett tillförlitligt sätt kan prova individuella molekyler. Framåt- och bakåtreaktionshastigheterna vid jämvikt är uppvägda och, till viss del, vi försökte lyfta slöjan över denna subtila dynamik."

Reaktionsvägar som regleras av disulfidbindningar kan begränsa interaktioner till enstaka tiolavkänningsställen på nanopartiklarna. Den höga troheten hos detta tillvägagångssätt etablerar exakt undersökning av egenskaperna hos molekyler som genomgår reaktionen.

Genom att placera länkar på guldytan, interaktioner med tiolerade arter isoleras för baserat på deras laddning och själva cyklingen.

Sensorsignaler har tydliga mönster relaterade till om reduktionsmedel är närvarande. Om det är, signalen svänger på ett kontrollerat sätt, medan om det inte är det, svängningarna blir stokastiska.

För varje reaktion kan monomer- eller dimertillståndet för den lämnande gruppen upplösas.

Förvånande, den optoplasmoniska resonansen skiftar i frekvens och/eller förändringar i linjebredd när enstaka molekyler interagerar med den. I många fall tyder detta resultat på en plasmon-vibrationskoppling som kan hjälpa till att identifiera individuella molekyler, äntligen uppnå karakterisering.

Professor Frank Vollmer sa:"Detta utmärkta arbete av min doktorand, Serge Vincent, banar väg för många framtida enmolekylanalystekniker som vi bara har drömt om. Det är ett avgörande steg för vårt projekt ULTRACHIRAL. ULTRACHIRAL strävar efter att utveckla genombrott i hur vi använder ljus för att analysera kirala molekyler."