En enda cell i vår kropp är sammansatt av tusentals miljoner olika biomolekyler som arbetar tillsammans på ett extremt välkoordinerat sätt. Likaså, många biologiska och biokemiska reaktioner inträffar endast om molekyler är närvarande i mycket höga koncentrationer. Att förstå hur alla dessa molekyler interagerar med varandra är nyckeln till att främja vår kunskap inom molekylär- och cellbiologi.

Denna kunskap är av central och grundläggande betydelse i strävan efter att upptäcka de tidigaste stadierna av många mänskliga sjukdomar. Som sådan, ett av de yttersta målen inom biovetenskap och bioteknik är att observera hur enskilda molekyler fungerar och interagerar med varandra i dessa mycket trånga miljöer. Tyvärr, att detektera en molekyl bland miljontals närliggande molekyler har varit tekniskt omöjligt hittills. Nyckeln till att framgångsrikt upptäcka den enskilda molekylen ligger i utformningen och produktionen av en fungerande enhet som krymper observationsområdet till en liten storlek som är jämförbar med storleken på själva molekylen, dvs bara några nanometer.

Forskare vid Fresnel-institutet i Marseille och ICFO-institutet för fotoniska vetenskaper i Barcelona rapporterar i Naturens nanoteknik design och tillverkning av den minsta optiska enheten, kapabla att detektera och känna av enskilda biomolekyler i koncentrationer som liknar de som finns i det cellulära sammanhanget. Enheten som kallas "antenn-i-en-låda" består av en liten dimerantenn gjord av två guldhalvklot, separerade från varandra med ett gap så litet som 15 nm. Ljus som skickas till denna antenn förstärks enormt i gapområdet där den faktiska detekteringen av biomolekylen av intresse sker. Eftersom förstärkningen av ljuset är begränsad till gapets dimensioner, endast molekyler som finns i denna lilla region detekteras. Ett andra knep som forskarna använde för att få den här enheten att fungera var att bädda in dimerantennerna i lådor också med nanometriska dimensioner. "Lådan skärmar bort det oönskade "bruset" från miljontals andra omgivande molekyler, minskar bakgrunden och förbättrar som helhet detekteringen av enskilda biomolekyler.", förklarar Jerome Wenger från Fresnel Institute. När den testades under olika provkoncentrationer, denna nya antenn-i-box-enhet möjliggjorde 1100-faldig förbättring av fluorescensljusstyrkan tillsammans med detektionsvolymer ner till 58 zeptoliter (1 zL =10-21L), dvs. den minsta observationsvolymen i världen.

Antennen-i-en-låda erbjuder en mycket effektiv plattform för att utföra en mängd biokemiska bedömningar i nanoskala med känslighet för en enda molekyl vid fysiologiska förhållanden. Den kan användas för ultrakänslig avkänning av små mängder molekyler, blir en utmärkt anordning för tidig diagnos för biosensing av många sjukdomsmarkörer. "Den kan också användas som en ultraljusstark optisk nanokälla för att belysa molekylära processer i levande celler och i slutändan visualisera hur enskilda biomolekyler interagerar med varandra. Detta för oss närmare biologernas efterlängtade dröm", avslutar ICFO-forskaren Prof. Maria Garcia-Parajo.