Att kunna spåra enskilda biomolekyler och observera dem i arbetet är varje biokemis dröm. Detta skulle göra det möjligt för forskarna att forska i detalj och bättre förstå hur livets nanomaskiner fungerar, såsom ribosomer och DNA-polymeraser. Forskare vid Max Planck Institute for the Science of Light har tagit ett stort steg närmare detta mål. Med hjälp av en optisk mikrostruktur och guld nanopartiklar, de har förstärkt interaktionen mellan ljus och DNA till den grad att de nu kan spåra interaktioner mellan enskilda DNA-molekylsegment. Genom att göra så, de har närmat sig gränserna för vad som är fysiskt möjligt. Deras optiska biosensor för enstaka omärkta molekyler kan också bli ett genombrott i utvecklingen av biochips:minilabb i fingernagelstorlek i mobila analysenheter kan testa en droppe blod för flera sjukdomar samtidigt eller underlätta omfattande miljöanalyser med väldigt lite provmaterial.

Vår förståelse av grundläggande livsprocesser möjliggjordes först av kunskap om hur enskilda biomolekyler interagerar med varandra. I celler, nanomaskiner som ribosomer och DNA-polymeraser syr samman enskilda molekyler för att bilda komplexa biologiska strukturer som proteiner och DNA-molekyler, arkiven av genetisk information. Även om det är möjligt att undersöka interaktionen mellan enskilda molekyler med enzymer eller ribosomer, molekylerna måste ofta märkas, till exempel med fluorescerande markörer, för att observera dem. Dock, sådan märkning är endast möjlig med vissa molekyler, och det kan störa funktionen hos de biologiska nanomaskinerna. Även om ljus kan användas för att detektera omärkta biomolekyler, metoden kan inte användas för att detektera enstaka DNA-molekyler, eftersom ljusvågornas växelverkan med molekylen är för svag.

Ett team av fysiker under ledning av Frank Vollmer från Laboratory for Nanophotonics and Biosensors vid Max Planck Institute for the Science of Light har nu lyckats förstärka ljusets interaktion med DNA-molekyler i den utsträckning som deras fotoniska biosensor kan användas för att observera enstaka omärkta molekyler och deras interaktioner.

En mikrosfär blir ett optiskt viskande galleri

För att uppnå detta, fysikerna använder glaspärlor runt 60 mikrometer i diameter, ungefär lika tjock som ett människohår, och guld nanotrådar ca. 12 nanometer i diameter och 42 nanometer i längd. Guldtråden är därför bara ungefär en tiotusendel så tjock som ett hårstrå. Mikrosfären och nanotråden förstärker interaktionen mellan ljus och molekyler. Med hjälp av ett prisma, forskarna lyser in laserljus i mikrosfären. Ljuset reflekteras upprepade gånger på sfärens inre yta tills, i sista hand, den fortplantar sig längs insidan, liknande sättet som ljudvågor färdas längs väggarna i ett cirkulärt hölje eller ett viskande galleri:när någon viskar i ena änden av det kupolformade eller välvda galleriet, en person i andra änden kan höra det i andra änden, även över en ovanligt lång sträcka. Detta beror på att ljudvågorna inte tappar intensitet när de färdas.

Om en molekyl är fixerad på glaspärlans yta, ljusstrålen går förbi den mer än hundra tusen gånger. Eftersom ljusvågen alltid sträcker sig något utanför mikrosfären, en interaktion uppstår mellan den och molekylen. Denna interaktion förstärks kraftigt på grund av den frekventa kontakten mellan ljuset och molekylen. Dock, interaktionen är fortfarande för svag för att registrera enstaka molekyler.

Vollmer och hans kollegor fixerar därför en nanotråd på glaspärlans yta. Ljuset som susar förbi genererar plasmoner:kollektiva oscillationer av elektroner. "Plasmonerna drar ljusvågen lite längre ut ur glasmikrosfären, " förklarar Vollmer. Detta förstärker ljusvågens fältstyrka med en faktor på mer än tusen. Förstärkningen i signal är då tillräcklig för att detektera enstaka biomolekyler, såsom DNA-fragment. De Erlangen-baserade forskarna gjorde just det. De fäste ett fragment av enkelsträngat DNA, som alltid förekommer i form av en dubbelsträng i cellkärnan, till nanotråden monterad på mikrosfären. När en matchning, dvs kompletterande, DNA-fragment binder till "betet" på nanotråden, ljusets våglängd skiftar och förstärks av mikrosfären och nanotråden. Denna förskjutning kan mätas.

Olika strängsektioner kan särskiljas genom deras bindningsbeteende

Dock, the physicists used a shorter DNA fragment than is usual in similar procedures. Like a short piece of tape on a wall, short DNA fragments do not adhere strongly to each other, so that the strands separate again relatively quickly. Därav, new fragments are able to bind repeatedly to the molecular "bait", including fragments that are not fully complementary. På det här sättet, it is possible to investigate how long the DNA fragments interact with each other and how often the "bait" captures a segment. "This approach makes it possible to use a single DNA receptor and to follow its successive interactions with various DNA segments in the sample solution, " says Frank Vollmer. "Based on the duration and frequency of the measured interactions, it is then possible to detect specific unlabelled DNA molecules."

The researchers have tested their optical biosensor with a sample containing both an exactly matching DNA fragment and a fragment that was not perfectly complementary. They were able to distinguish the two fragments based on their different kinetics.

Even in nature, the bonds formed between molecules and nanomachines are fleeting. Thanks to the new method, it is now possible to explore such natural kinetics in greater detail, says Frank Vollmer. "Det behövs mer forskning, " says the physicist, who is looking forward to tackling future challenges.

The researchers in Erlangen are already planning future projects. "It's possible to observe, till exempel, how an enzyme such as DNA polymerase synthesizes DNA, " explains Vollmer. The scientists would also like to integrate their photonic biodetector into optical microchips for use in clinical diagnostics.