Forskare vid Laboratory for Attosecond Physics har utvecklat en unik laserteknik för analys av biologiska provers molekylära sammansättning. Det kan upptäcka minimala variationer i den kemiska sammansättningen av organiska system.

På biokemisk nivå, organismer kan ses som komplexa samlingar av många molekylarter. Under deras ämnesomsättning, biologiska celler syntetiserar kemiska föreningar och modifierar dem på många olika sätt. Många av dessa produkter släpps ut i det intercellulära mediet och ackumuleras i kroppsvätskor inklusive blod. Ett huvudsyfte med biomedicinsk forskning är att förstå vad dessa oerhört komplexa blandningar av molekyler kan berätta om tillståndet för den berörda organismen. Alla differentierade celltyper bidrar till denna "soppa". Men precancerösa och maligna celler lägger till sina egna specifika molekylära markörer - och dessa ger de första indikationerna på förekomsten av tumörceller i kroppen.

Än så länge, dock, mycket få av dessa indikatormolekyler har identifierats, och de som är kända förekommer i ringa mängd i biologiska prover. Detta gör dem extremt svåra att upptäcka. Forskare antar att många av de mest informativa molekylära signaturerna innehåller kombinationer av föreningar som tillhör alla de olika typerna av molekyler som finns i celler - proteiner, sockerarter, fetter och deras olika derivat. För att definiera dem, forskare kräver en enda analysmetod som är mångsidig och känslig nog för att upptäcka och mäta deras nivåer.

Ett tvärvetenskapligt team som leds av prof. Ferenc Krausz har nu byggt ett nytt laserbaserat system som är särskilt utformat för detta ändamål. Gruppen är baserad på Laboratory for Attosecond Physics (LAP), som drivs gemensamt av Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München och Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ), och det inkluderar fysiker, biologer och datavetenskapare. Detta system gör det möjligt för forskare att få kemiska fingeravtryck i form av infraröda spektra som avslöjar molekylära kompositioner av prover av alla slag, inklusive prover av biologiskt ursprung. Tekniken erbjuder oöverträffad känslighet och kan användas för alla kända klasser av biomolekyler.

Den nya laserspektrometern bygger på teknik som ursprungligen utvecklades i LAP för produktion av ultrakorte laserpulser, som används för att studera den ultrasnabba dynamiken i subatomära system. Instrumentet, som byggdes av fysikern Ioachim Pupeza och hans kollegor, är utformad för att avge extremt kraftfulla pulser av laserljus som täcker ett brett segment av spektrumet i den infraröda våglängden. Var och en av dessa pulser varar i några femtosekunder (i vetenskaplig notation 1 fs =10 ^-15 s, en miljonedel av en miljarddel av en sekund). Dessa extremt korta blinkar av infrarött ljus gör att bindningarna som länkar atomer samman vibrerar. Effekten är analog med att slå en stämgaffel. Efter pulsens gång, de vibrerande molekylerna avger koherent ljus vid mycket karakteristiska våglängder eller, likvärdigt, svängningsfrekvenser. Den nya tekniken gör det möjligt att fånga hela ensemblen av avgivna våglängder. Eftersom varje distinkt förening i provet vibrerar vid en specifik uppsättning frekvenser, det bidrar med sitt eget väldefinierade "subspektrum" till utsläppet. Ingen molekylär art har någonstans att gömma sig.

"Med denna laser, vi kan täcka ett brett spektrum av infraröda våglängder - från 6 till 12 mikrometer - som stimulerar vibrationer i molekyler, "säger Marinus Huber, gemensam första författare till studien och medlem i biolog Mihaela Zigmans grupp, som också var involverad i experimenten som utfördes i LAP. "Till skillnad från masspektroskopi, denna metod ger tillgång till alla typer av molekyler som finns i biologiska prover, "förklarar hon.

Var och en av de ultrakorte laserpulserna som används för att excitera molekylerna består av endast några få oscillationer av det optiska fältet. Dessutom, pulsens spektrala ljusstyrka (dvs. dess fotontäthet) är upp till dubbelt så hög som den som genereras av konventionella synkrotroner, som hittills har fungerat som strålningskällor för jämförbara metoder för molekylär spektroskopi. Dessutom, den infraröda strålningen är både rumsligt och tidsmässigt koherent. Alla dessa fysiska parametrar står tillsammans för det nya lasersystemets extremt höga känslighet, gör det möjligt att detektera molekyler som finns i mycket låga koncentrationer och producera högprecisionsmolekylära fingeravtryck.

Dessutom, prover av levande vävnader upp till 0,1 mm tjocka kan nu belysas med infrarött ljus och analyseras med oöverträffad känslighet. I inledande experiment, teamet på LAP tillämpade tekniken på löv och andra levande celler, liksom blodprov. "Denna förmåga att noggrant mäta variationer i kroppsvätskornas molekylära sammansättning öppnar nya möjligheter inom biologi och medicin, och i framtiden kan tekniken hitta tillämpning vid tidig upptäckt av störningar, "Säger Zigman.