Ett forskarlag under ledning av Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har utvecklat en optisk plasmonisk pincett-kontrollerad Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) plattform som använder på- och av-kontroll av ljus för att undersöka olika amylinarter i blandningar på singelmolekylnivå, avslöjar de heterogena strukturerna hos pH-beroende amylinarter och hemligheterna bakom amyloidaggregationsmekanismer associerade med typ 2-diabetes.
Genom att ta bort ensemblemedelvärde, urskiljer tekniker med en enda molekyl signalen från enskilda molekyler för att avslöja dolda detaljer och revolutionera vår förståelse av komplexa och heterogena molekylära system. Nuvarande enmolekylära metoder är begränsade till ultraspädning och/eller molekylär immobilisering eftersom den diffraktionsbegränsade detektionsvolymen inte kan minskas ytterligare.
Medan vissa biomolekyler deltar i olika interaktioner som påverkas avsevärt av koncentrationer. Till exempel, som ett typiskt naturligt stört protein, saknar human ö-amyloidpolypeptid (amylin, hIAPP) stabila sekundära strukturer men har en aggregeringsbenägenhet som styrs av miljöfaktorer, såsom koncentration och pH, för att bilda olika oligomera mellanprodukter och amyloidfibriller vid typ II-diabetes patienter.
Den molekylära mekanismen är fortfarande oklar, på grund av utmaningarna med att upptäcka de sällsynta, övergående och heterogena amylinarterna i en dynamisk blandning, vilket kräver utveckling av avancerade enmolekylära metoder.
I ett nyligen genomfört genombrott har forskargruppen under ledning av professor Huang Jinqing, biträdande professor vid HKUST:s avdelning för kemi framgångsrikt utvecklat en ny plattform med en enda molekyl som kombinerar optisk plasmonisk manipulation och SERS-mätning för att minska detekteringsvolymen och höja signalförstärkningen, vilket möjliggör effektiv och karakterisering av en molekyl med hög genomströmning för att studera pH-beroende amylinarter vid fysiologiska koncentrationer.
Specifikt konstruerade teamet en plasmonisk förbindelse mellan två Ag-nanopartikelbelagda kiseldioxidmikropärlor för att fånga ytterligare en Ag-nanopartikel för att bilda en dynamisk nanokavitet vid laserbestrålning, som kunde kapsla in en enstaka eller ett fåtal molekyler för känsliga SERS-karakteriseringar.
Eftersom både optisk plasmonisk infångning och SERS-fenomen är rumsligt begränsade i nanometerskalan, överskrider den den optiska diffraktionsgränsen för att möjliggöra exakt positionskontroll, minimera detektionsvolymen och öka SERS-förbättringen samtidigt.
Dessutom är de konstruerade Ag nanopartikelbelagda kiseldioxidmikrokuldimererna mer stabila än de konventionella Ag-nanopartiklarna i lösningar, vilket gör det lättare att observera och lokalisera den plasmoniska korsningen på vanliga mikroskop för att förbättra effektiviteten och reproducerbarheten. Genom att växla laserljuset mellan "på" och "av" kan forskarna styra den optiska plasmoniska fångsten för att modulera sammansättningen och demonteringen av den dynamiska nanokavitet för högkapacitetssampling och samtidiga SERS-mätningar.
Genom att använda denna effektiva enmolekylära plattform utnyttjade forskargruppen en statistiskt signifikant mängd SERS-spektra som ligger till grund för de strukturella egenskaperna hos olika amylinarter under två distinkta fysiologiska förhållanden:de sekretoriska granulerna av pankreatiska β-celler vid pH 5,5 och de extracellulära avdelningarna vid pH 7.4, respektive.
Två typer av lågbefolkade amylinarter identifierades från deras dominerande monomerer i det tidiga skedet av amyloidaggregation i neutralt pH, innehållande en kritisk svängstruktur eller en kort β-hårnål med begränsad C-terminal som stöds av simuleringar av molekylär dynamik (MD) .
En sådan liten förändring i jämvikten mellan olika amylinarter skulle kunna driva irreversibel amyloidutveckling även efter efterjustering av pH från 7,4 till 5,5. Därför indikerar den direkta strukturella karakteriseringen av dessa amylinarter i heterogena blandningar effekten av pH på deras intra- och intermolekylära interaktioner och belyser mekanismen bakom pH-reglerad amyloidaggregation för att förstå typ 2-diabetes.
"Vi presenterar en lättanvänd strategi som minskar detektionsvolymen, förbättrar den molekylära signalen och ökar omsättningseffektiviteten", förklarade Prof. Huang. "Vår enkelmolekylplattform kan förvärva en stor mängd SERS-spektra som molekylära ögonblicksbilder, jämförbara med de som erhålls genom MD-simuleringar. Genom att statistiskt analysera strukturdetaljerna på singelmolekylnivå kan vi rekonstruera bulkegenskaperna och få unika insikter i populationen och sannolikheten för specifika molekyltyper inom den heterogena blandningen Den har potential att avslöja dolda mysterier i komplexa system."
Studien publicerades nyligen i Nature Communications .
Mer information: Wenhao Fu et al, Effektiv optisk plasmonisk pincettkontrollerad enkelmolekyls SERS-karakterisering av pH-beroende amylinarter i vattenhaltiga miljöer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42812-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Hong Kong University of Science and Technology
