Fem år av hårt arbete och lite "kosmisk tur" ledde Rice Universitys forskare till en ny metod för att få fram strukturella detaljer om molekyler i biomembran.

Metoden av fysikern Jason Hafners Rice-lab kombinerar experimentella och beräkningstekniker och förlitar sig på de plasmoniska egenskaperna hos guldnanopartiklar. Den drar fördel av nanopartiklarnas unika förmåga att fokusera ljus på mycket små mål.

Forskarna kallar sitt protokoll SABERS, för strukturanalys genom förbättrad Raman-spridning, och säga att det kan hjälpa forskare som studerar amyloidinteraktioner som är inblandade i neurodegenerativ sjukdom, de neuroprotektiva verkan av fettsyror och funktionen av kemoterapimedel.

Detaljerna visas denna månad i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Deras metod extraherar platsen för specifika kemiska grupper inom molekylerna genom att lokalisera deras karakteristiska vibrationer. När en laser aktiverar plasmoner i nanopartiklarna, det förstärker vibrationsspritt ljus från närliggande molekyler, ett fenomen som kallas ytförstärkt Raman-spridning (SERS). Förbättringen är känslig för exakt var molekylen sitter i förhållande till nanopartikeln.

"Molekyler kan vibrera på många olika sätt, så vi måste tilldela ett "vibrationscentrum" till var och en, " sa Hafner. "Om du ser någon del av en molekyl vibrera, du kan visualisera var det inträffar, men vi var också tvungna att hitta ett matematiskt sätt att beskriva det."

SERS-spektra är notoriskt svåra att reda ut, så den fullständiga SABERS-metoden kräver också oförbättrade spektralmätningar och teoretiska beräkningar av både nanorodoptiken och de molekylära egenskaperna, han sa.

Hafner och hans team testade sin teknik på tre strukturer:ytaktiva molekyler som kommer med guld nanorods, lipidmolekyler som bildar membran på guld nanorods och tryptofan, en aminosyra som sätter sig i membranet.

"Vi fann att det ytaktiva skiktet lutar 25 grader, vilket är intressant eftersom det förklarar varför andra mätningar visade att lagret verkar tunnare än förväntat, " sa Hafner.

Lipider ersätter lätt ytaktiva ämnen på nanorods eftersom de slutar i samma kemiska struktur. Genom att jämföra vibrationer av den strukturen i lipidhuvudgruppen med en dubbelbindning i svansen, SABRE hittade den korrekta orienteringen och tjockleken av lipiddubbelskiktsmembranet. "Det är bara kosmisk tur att en lipid slutar i en perfekt symmetrisk struktur som vibrerar och är Raman-aktiv och älskar att sitta på en nanorod, " sa Hafner.

Forskarna använde också SABRE för att lokalisera tryptofan i lipiddubbelskiktet. "Det är väldigt ljust, spektroskopiskt, och lätt att se, " sa han. "I verkliga biologiska strukturer, tryptofan är bara en liten rest fäst till ett mycket större protein. Dock, tryptofan hjälper till att förankra proteinet till membranet, så forskare vill veta var den föredrar att sitta."

Nästa, Hafner vill analysera större molekyler. "I princip, genom spektroskopiska knep, vi skulle kunna ta det här till större strukturer, och kanske till och med hitta varje rest i ett protein för att få hela strukturen. Det är futuristiskt, men det är dit vi tror att vi kan gå med det, " han sa.