Det är utmanande att analysera proteiner i låga koncentrationer, speciellt för de i en blandning av olika konformationer såsom intrinsically disordered proteiner (IDP). En forskargrupp ledd av professor Huang Jinqing, Biträdande professor vid Institutionen för kemi vid Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), har utvecklat optisk pincettkopplad Raman-spektroskopi som direkt kan undersöka de strukturella egenskaperna hos alfa-synuklein, en IDP nära kopplad till Parkinsons sjukdom, vid den fysiologiska koncentrationen genom att fokusera på enskilda proteinmolekyler.

IDP spelar en viktig roll i biologiska processer och många av dem är förknippade med obotliga neurodegenerativa sjukdomar. Som en typisk internflykting, alfa-synuklein saknar en stabil 3D-arkitektur som kallas sekundära strukturer. Den genomgår spontant omvandlingar från en sekundär struktur till en annan, vilket så småningom kan resultera i uppbyggnad av proteinaggregat involverade i Parkinsons sjukdomspatologi. Dock, de övergående arterna under omvandlingen har olika strukturer och finns i låg population bland en dynamisk jämviktsblandning. Därför, deras strukturella egenskaper är vanligtvis begravda under detekteringsresultaten från traditionella mättekniker, vilket medelvärde för signalerna detekterade från stora provkvantiteter och lång detektionstid.

I studien, Prof. Huang och hennes medarbetare integrerar optisk pincett och ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS) i en ny plattform för att generera avstämbara och reproducerbara SERS-förbättringar med en molekylnivåkänslighet i vattenhaltiga miljöer, för att karakterisera dessa internflyktingar samtidigt som deras inneboende heterogenitet bibehålls med stor biologisk betydelse. Specifikt, en hotspot kan visualiseras och kontrolleras av en optisk pincett för att tillåta proteiner att gå igenom i en mikrofluidisk flödeskammare, vilket gör det bekvämt att justera mätparametrarna i realtid för in situ spektroskopiska karakteriseringar. Den identifierar direkt de strukturella egenskaperna hos de övergående arterna av alfa-synuklein bland dess dominerande monomerer vid en fysiologisk koncentration av 1 μM genom att reducera ensemblen i genomsnitt i kvantitet och i tid, ge djupgående insikter för att förstå initieringen av amyloidproteinaggregation. Därav, denna SERS-plattform har stor potential att avslöja den strukturella informationen för internflyktingar i den dynamiska, heterogen, och komplexa biologiska system.

"Vår strategi möjliggör exakt kontroll av hotspot mellan två fångade mikrometerstora silvernanopartikelbelagda kiseldioxidpärlor för att förbättra SERS-effektiviteten och reproducerbarheten i vattenbaserade detektioner. Förutom den avstämbara SERS-förbättringen, den integrerade optiska pincetten erbjuder också sub-nanometer rumslig upplösning och sub-piconewton kraftkänslighet för att övervaka ljus-materia-interaktioner i plasmonisk hotspot för extra fysisk insikt. Mer viktigt, vår metod öppnar en ny dörr för att karakterisera de övergående arterna av IDPs i utspädda lösningar, vilket fortfarande är en betydande utmaning inom biofysiksamhället. I sista hand, det kommer att bli spännande att fullt ut utnyttja den exakta kraftmanipulationen av den integrerade optiska pincetten för att veckla ut ett enda protein inuti den kontrollerbara hotspoten och lösa dess strukturella dynamik från de endogena molekylära vibrationerna genom den integrerade Raman-spektroskopin, " sa prof. Huang.

Studien publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .