(Phys.org)—Aciditet (pH) och dess förändringar spelar en viktig roll i många fysiologiska processer, inklusive proteinveckning, och kan fungera som indikatorer på cancer. I journalen Angewandte Chemie , Amerikanska forskare har nu introducerat en okonventionell pH-sensor som gör det möjligt att övervaka förändringar i pH-värden i levande celler över längre tidsperioder, med tidigare ouppnåelig rumslig upplösning. Detta är möjligt genom kombinationen av fluorescerande nanokristaller med mobila molekylära "armar" som kan vikas eller vecklas ut beroende på pH i omgivningen.
endosomer, cellorganeller som spelar en roll i transporten inom celler, upplever ett avsevärt fall i deras pH-värde när de mognar. Detta observerades av teamet som arbetade med Moungi G. Bawendi vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge genom att använda en ny nanoskopisk pH-sensor och ett fluorescensmikroskop. Hemligheten till deras framgång ligger i den okonventionella designen av deras sensor:En mobil molekylär "arm" kopplar en grön fluorescerande nanokristall till en röd fluorescerande färg. Nanokristallerna är partiklar av halvledarmaterial som enkelt överför ljusenergin de absorberar till fluorescerande färgämnen genom en strålningsfri mekanism (fluorescensresonansenergiöverföring, eller FRET). Detta får färgämnet att fluorescera - så länge som båda FRET-partnerna är tillräckligt nära varandra.
Avståndet mellan nanokristallen och färgämnet styrs genom att vika och veckla ut den molekylära armen på nano-pH-sensorn - och denna rörelse är pH-beroende. Armen består av ett stycke dubbelsträngat och ett stycke enkelsträngat DNA. När koncentrationen av H+-joner ökar, så gör tendensen att bilda en "trippelsträng", där enkelsträngen passar in i spåret på dubbelsträngen, får armen att lägga sig. Denna "armrörelse" sker i det fysiologiskt viktiga området runt pH 7 och är mycket känslig för minsta förändring.
Vid högre pH-värden, armen är utsträckt och FRET-partnerna är för långt ifrån varandra för att energiöverföring ska ske. Nanokristallen avger grön fluorescens och färgen fluorescerar inte. När pH blir lägre, armen viks tillräckligt för att tillåta FRET-energiöverföring. Den gröna fluorescensen i nanokristallen minskar och färgen börjar lysa rött. Eftersom denna teknik mäter förhållandet mellan grön och röd fluorescens istället för ett absolut värde, variationer i intensitet gör ingen skillnad. Sensorn har alltså en intern referens.
I denna typ av sensor, själva "pH-testaren" och den optiska signalanordningen är två separata komponenter. Genom att ersätta pH-testaren med en molekylarm som svarar på en annan analyt bör det vara möjligt att använda samma princip och samma optiska signaleringsanordning för att bygga sensorer för andra målmolekyler.
Nanokristallfluoroforer har orsakat mycket spänning inom flera områden på grund av deras attraktiva optiska egenskaper. Nanokristaller erbjuder överlägsna egenskaper jämfört med traditionella molekylära fluoroforer, särskilt inom biologi, där de kan hjälpa till att avslöja cellens inre funktion. Dock, Det har visat sig svårt att omvandla dessa nya nanomaterial till fluorescerande sensorer. Konceptet att utnyttja en molekylär konformationsförändring för att skapa en sensor är nytt för nanokristallsensorer och kan visa sig vara en allmän lösning på problemet med att tillverka sensorer från nanokristaller.
