Varje dag sker miljontals biologiska processer i vår kropp på cellnivå. Att studera dessa processer kan hjälpa oss att lära oss mer om hur celler fungerar, ett område som har fortsatt att fascinera forskare. På senare tid har det dock kommit en ny aktör inom detta område. En ny analysmetod – detektion av en molekyl – har tagit fart på grund av dess framgång med att observera specifika, biologiskt relevanta molekyler och de processer som är förknippade med dem.

Forskare har prövat sätt att använda singelmolekyldetektionsanalyser för att studera proteiner och deras post-translationella modifieringar (PTM). PTM är enzymatiska förändringar som observeras efter proteinsyntes, där funktionella grupper läggs till aminosyrorna i proteinet, vilket gör att det kan utföra en specifik funktion.

Studiet av PTM kan hjälpa oss att förstå cellsignalering och ursprunget till flera sjukdomar. Analyser som syftar till att göra det måste dock vara mycket selektiva och specifika för det proteinet. Med tanke på bristen på känslighet hos nuvarande tekniker är det en utmaning att få en molekyl PTM-mätningar.

Nyligen har forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hittat ett "elektrifierande" sätt att övervinna dessa begränsningar. I deras senaste genombrott, publicerade i Journal of the American Chemical Society , rapporterade ett team av forskare under ledning av docent Tomoaki Nishino från Tokyo Tech den enda molekyldetekteringen av fosforylering i peptider – korta aminosyrakedjor – och bildandet av en ortofosfatövergång med hjälp av elektroniska signaturer.

Dr. Nishino förklarar, "Vi valde peptidfosforylering, en arketypisk och biologiskt relevant PTM, för våra detektionsstudier. Syftet var att utveckla ett verktyg som kunde upptäcka även den minsta förändring i aminosyrornas kemiska struktur."

Till att börja med studerade teamet de elektroniska egenskaperna hos fosforylerade peptider med deras oorganiska analog, ortofosforsyra (H₃ PO₄ ). De beredde en fosfatlösning (PO₄ ^3- ) och utsatte den för en scanning tunneling microscope (STM)-assisterad break-junction-teknik (BJ). När strömmen leddes mellan två guld STM-elektroder, fann man en ortofosfatgrupp som överbryggar nanogapet mellan elektroderna genom att bilda en stabil förbindelse på grund av interaktionen mellan dess negativt laddade syreatomer med guldet. Det var denna korsning och dess signatur som drev ytterligare experiment.

Enkelortofosfatövergången visade sig ha en hög konduktans på 0,4 G₀ och distinkta elektroniska egenskaper, varav de senare gjorde det möjligt för denna procedur att vara mycket specifik och exakt avkänna PTM i fråga (dvs fosforylering). För att ytterligare testa sin teknik genomförde teamet in situ enkelmolekylfosforyleringsanalyser, där de kunde skilja mellan fosforylerade och icke-fosforylerade peptider med 95 % noggrannhet och 91 % specificitet.

Metoden som demonstreras i denna studie ger ett oförutsett perspektiv in i världen av PTM i proteiner. Denna nya teknik kommer också att öppna upp nya vägar för användning av enmolekyldetektion av PTM i klinisk diagnos och farmaceutiska tillämpningar.

"Det finns ett starkt samband mellan proteinfosforylering och patogenesen av ett brett spektrum av sjukdomar. Vår metod kommer att göra det möjligt för forskare att reda ut hur fosforylering reglerar de cellulära händelser som leder till uppkomsten av en sjukdom och därigenom hjälpa till i utvecklingen av behandlingar." avslutar Dr Nishino. + Utforska vidare

Mot självåterställande elektroniska enheter med långa DNA-molekyler