I hjärtat av immunsystemet som skyddar våra kroppar från sjukdomar och främmande inkräktare är ett stort och komplext kommunikationsnätverk som involverar miljontals celler, skicka och ta emot kemiska signaler som kan betyda liv eller död. I hjärtat av detta stora cellulära signalnätverk finns interaktioner mellan miljarder proteiner och andra biomolekyler. Dessa interaktioner, i tur och ordning, påverkas starkt av den rumsliga mönstringen av signal- och receptormolekyler. Förmågan att observera rumsliga signalmönster i immunsystemet och andra cellulära system när de utvecklas, och för att studera effekterna på molekylära interaktioner och, i sista hand, cellulär kommunikation, skulle vara ett avgörande verktyg i kampen mot immunologiska och andra störningar som leder till ett brett spektrum av hälsoproblem, inklusive cancer. Ett sådant verktyg finns nu till hands.

Forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) Berkeley, har utvecklat den första praktiska tillämpningen av optiska nanoantenner inom cellmembranbiologi. Ett vetenskapligt team under ledning av kemisten Jay Groves har utvecklat en teknik för att snöra konstgjorda lipidmembran med miljarder guld "bowtie" nanoantenner. Genom fenomenet som kallas "plasmonics, "dessa nanoantenner kan öka intensiteten hos en fluorescerande eller Raman optisk signal från ett protein som passerar genom en plasmonisk" hot-spot "tiotusentals gånger utan att proteinet någonsin berörs.

"Vår teknik är minimalt invasiv eftersom förbättring av optiska signaler uppnås utan att molekylerna behöver interagera direkt med nanoantennen, "Groves säger." Detta är en viktig förbättring jämfört med metoder som är beroende av adsorption av molekyler direkt på antenner där deras struktur, orientering, och beteendet kan allt förändras."

Groves har gemensamma möten med Berkeley Labs Physical Biosciences Division och UC Berkeleys Chemistry Department, och är också en Howard Hughes Medical Institute -utredare. Han är motsvarande författare till en artikel som rapporterar dessa resultat i tidskriften Nano bokstäver . Uppsatsen har titeln "Single Molecule Tracking on Supported Membranes with Arrays of Optical Nanoantennas." Medförfattare av tidningen var Theo Lohmuller, Lars Iversen, Mark Schmidt, Christopher Rhodes, Hsiung-Lin Tu och Wan-Chen Lin.

Fluorescerande utsläpp, där biomolekyler av intresse är märkta med färgämnen som fluorescerar när de stimuleras av ljus, och Raman -spektroskopi, där ljusspridningen av molekylära vibrationer används för att identifiera och lokalisera biomolekyler, är optiska avbildningstekniker för arbetshästar vars värde har förbättrats ytterligare genom uppkomsten av plasmonik. I plasmonik, ljusvågor pressas in i områden med dimensioner mindre än halva våglängden av de infallande fotonerna, gör det möjligt att tillämpa optisk avbildningsteknik på nanoskala objekt som biomolekyler. Guldpartiklar i nanostorlek i

form av trianglar som är parade i en tip-to-tip formation, som en fluga, kan fungera som optiska antenner, fånga och koncentrera ljusvågor till väldefinierade hot spots, där den plasmoniska effekten förstärks kraftigt. Även om konceptet är väletablerat, att tillämpa det på biomolekylära studier har varit en utmaning eftersom guldpartikelmatriser måste tillverkas med väldefinierat nanometeravstånd, och intressanta molekyler måste levereras till plasmoniska hot-spots.

"Vi kan tillverka miljarder guldnanoantenner i ett konstgjort membran genom en kombination av kolloidlitografi och plasmabehandling, "Groves säger." Kontrollerat avstånd mellan nanoantenna -luckorna uppnås genom att dra fördel av det faktum att polystyrenpartiklar smälter samman vid sin kontaktpunkt under plasmabehandling. Resultatet är ett väldefinierat avstånd mellan varje par guldtrianglar i den slutliga uppsättningen med ett spets-till-spets-avstånd mellan angränsande guld-nanotrianglar som mäter i intervallet 5 till 100 nanometer. "

Tills nu, Groves säger, det har inte varit möjligt att frikoppla storleken på guldnanotrianglarna, som bestämmer deras ytplasmonresonansfrekvens, från spets-till-spets-avståndet mellan de individuella nanopartiklarna, som är ansvarig för att förstärka den plasmoniska effekten. Med deras kolloidala litografiska tillvägagångssätt, ett självmonterat sexkantigt monoskikt av polymersfärer används för att skugga maskera ett substrat för efterföljande avsättning av guldnanopartiklarna. När den kolloidala masken tas bort, vad som återstår är stora samlingar av guld-nanopartiklar och trianglar över vilka det konstgjorda membranet kan formas.

De unika konstgjorda membranen, som Groves och hans forskargrupp utvecklade tidigare, är ytterligare en nyckel till framgången för denna senaste prestation. Tillverkad av ett flytande tvåskikt av lipidmolekyler, dessa membran är de första biologiska plattformarna som kan kombinera fast nanopatron med rörligheten för flytande bilager. De ger en oöverträffad förmåga att studera hur de rumsliga mönstren för kemiska och fysiska egenskaper på membranytor påverkar cellers beteende.

"När vi bäddar in våra konstgjorda membran med guldnanoantenner kan vi spåra banorna för fritt spridande individuella proteiner när de sekventiellt passerar igenom och förstärks av de multipla luckorna mellan trianglarna, " säger Groves. "Detta tillåter oss att studera ett realistiskt system, som en cell, som kan involvera miljarder molekyler, utan statisk infångning av molekylerna. "

Eftersom molekyler i levande celler i allmänhet befinner sig i ett tillstånd av evig rörelse, det är ofta deras rörelser och interaktioner med andra molekyler snarare än statiska positioner som bestämmer deras funktioner i cellen. Groves säger att varje teknik som kräver direkt adsorption av en molekyl av intresse på en nanoantenna avlägsnar den molekylen från den fungerande ensemblen som är kärnan i dess naturliga beteende. The technique he and his co-authors have developed allows them to look at individual biomolecules but within the context of their surrounding community.

"The idea that optical nanoantennas can produce the kinds of enhanced signals we are observing has been known for years but this is the first time that nanoantennas have been fabricated into a fluid membrane so that we can observe every molecule in the system as it passes through the antenna array, " Groves says. "This is more than a proof-of-concept we've shown that we now have a useful new tool to add to our repertoire."