För första gången, en kemist vid University of Michigan har använt kvantinvikling för att undersöka proteinstrukturer, en process som endast kräver ett mycket litet antal fotoner av ljus.

Traditionellt, forskare har använt kraftfulla laserskanningsmikroskop för att studera proteiner på molekylär skala. Men traditionella lasrar har två problem. Först, laserns intensitet kan skada det undersökta provet. Andra, lasern spränger provet med fotoner, som sedan sprider sig bort från målet.

Istället, UM professor i kemi Theodore Goodson och hans teams metod för att använda kvantinvikling använder bara ett litet antal fotoner för att lära sig om molekyler. I detta fall, laget studerade flaviner, en grupp enzymer som är viktiga för energimetabolismen i kroppen.

Quantum entanglement är tanken att egenskaperna hos ett par eller en grupp partiklar beror på varandra, även om partiklarna separeras med stora avstånd. Till exempel, om en partikel snurrar medurs, den andra i sitt par snurrar motsatt sätt, om de trasslar in sig. Detta förhållande kvarstår även om partiklarna är tusentals kilometer bort, Sa Goodson.

"Det visar sig att om du har fotoner som är intrasslade, den höga graden av korrelation kan interagera med molekyler av proteiner på ett annat sätt än om de inte är intrasslade, "Sa Goodson." Vi kan undersöka proteinernas egenskaper med extremt få foton. "

Intrasslade fotoner produceras genom att skicka laserljus genom en kristall som inte är större än spetsen på en nagel. När ljuset färdas genom kristallen på ett visst sätt, några av fotonerna trasslar ihop. Dessa trassliga par används sedan för att undersöka målmolekylerna.

Dessa fotoner upphetsar elektroniska tillstånd i proteinet. Baserat på den elektromagnetiska strålningen avger molekylen när den exciteras av fotonerna, Goodson kan bestämma specifika egenskaper om molekylen, en metod som kallas spektroskopi.

Antalet fotoner som krävs för intrasslade foton spektroskopi är utomordentligt lågt jämfört med traditionella laserspektroskopiska metoder.

"Kan du tänka dig att göra en undersökning där du kan använda 10 storleksordningar färre fotoner för att undersöka det specifika kännetecknet för ett material, biologiskt prov, eller mycket liten mängd kemikalier på en yta? "sa Goodson.

Med denna metod, Goodson och hans team kunde se en ny interaktion inom ett flavinprotein. Tittar på flavoproteiner, laget kunde se skillnader i deras spektroskopi med hjälp av kvantinvikling jämfört med att använda klassiskt ljus.

Metoden öppnar upp nya vägar för bildmikroskopi, Sa Goodson. Att se intrasslade fotoner interagera med molekyler i proteiner kan lära forskare något nytt om dessa molekylers elektroniska tillstånd.

"Till exempel, i fotosyntes, när fotoner ger energi till det fotosyntetiska reaktionscentret, mekanismen för denna effekt kan förbättras genom att använda kvantljus, "sa han." Med en intrasslad fotonexciteringsprocess, det kan vara möjligt att optimera och förbättra energioverföringsprocesserna i biologiska system. Detta kan leda till ny information om de kemiska och biologiska processerna i dessa naturligt förekommande biologiska komplex. "

Nästa, gruppen hoppas kunna studera egenskaperna hos organiska och biologiska molekyler med hjälp av intrasslade fotoner i ett mikroskop. Studiens medförfattare inkluderar Juan Villabona-Monsalve och Oleg Varnavski vid UM-institutionen för kemi och Bruce Palfey i UM-avdelningen för biologisk kemi.