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    Gli scienziati districano le interazioni proteina-nanoparticella, suggerire il percorso per lo strumento di rilevamento della droga

    Il lavoro degli scienziati delle università Rice e Stanford ha rivelato che le proteine ​​dell'albumina di siero bovino spingono i nanotubi d'oro a formare assemblaggi chirali destrorsi mentre producono segnali plasmonici chirali da abbinare. Il fenomeno potrebbe portare a una tecnica che consente ai ricercatori di determinare la purezza chirale delle proteine ​​fondamentali per la progettazione di farmaci. Credito:Rashad Baiyasi/Rice University

    È sempre bello quando la tua intuizione si rivela giusta, ma gli scienziati della Rice University che studiano proteine ​​e particelle erano più "giusti" di quanto si aspettassero.

    I chimici del riso Christy Landes e Stephan Link e l'autore principale e ricercatore postdottorato Smalley-Curl Qingfeng Zhang hanno riferito questa settimana in Scienza che l'albumina di siero bovino (BSA), una proteina standard nella sperimentazione di laboratorio nano-bio, è incline a spingere nanobarre d'oro in assemblaggi chirali destrorsi, mentre produce segnali plasmonici chirali da abbinare.

    Il risultato è stato una sorpresa per i ricercatori che hanno deciso di districare le misteriose interazioni in miscele di BSA e nanotubi d'oro:l'aggregazione di nanoparticelle metalliche in assemblaggi chirali, chiralità proteica, e le proprietà plasmoniche risultanti. La luce innesca miscele di particelle e proteine ​​per disperdere la luce polarizzata, ma fino ad ora i ricercatori non sapevano quali interazioni all'interno della miscela fossero responsabili del segnale e, più importante per le future applicazioni di rilevamento, se possono essere perfezionati.

    Il lavoro suggerisce che potrebbe diventare possibile percepire la manualità, o chiralità, di singole proteine, un potenziale vantaggio per le aziende farmaceutiche che richiedono la purezza dei farmaci. Una molecola con la chiralità corretta può salvare una vita, mentre la stessa molecola della chiralità opposta può essere altamente tossica.

    Gli esperimenti di Rice hanno rivelato la chiralità multilivello nel modo in cui le proteine ​​BSA hanno indotto le particelle lunghe 100 nanometri ad allinearsi e nel modo in cui i plasmoni delle particelle hanno risposto alla luce in presenza di proteine ​​molto più piccole. (I plasmoni sono onde elettroniche risonanti che si increspano lungo la superficie di una particella metallica quando vengono attivate dalla luce.)

    La risposta è stata misurata come dicroismo circolare (CD), che è un modo per misurare se la rotazione del campo elettrico di un'onda luminosa ha un'interazione preferenziale con il materiale in senso orario (destra) o antiorario (sinistra).

    I segnali CD sono generalmente deboli, ma aiutano ancora a caratterizzare la conformazione media degli insiemi proteici. Nello studio del riso, i plasmoni hanno agito come antenne per amplificare il CD dalle proteine ​​chirali adsorbite sulla superficie, spostando il segnale dall'ultravioletto al visibile, indicato come CD accoppiato a plasmoni.

    Link ha affermato che il CD accoppiato al plasmone era stato precedentemente osservato per miscele di singole nanoparticelle, aggregati e molecole chirali, ma nessuno studio fino ad ora ha rivelato se tutte le molecole e le nanoparticelle contribuissero allo stesso modo al segnale.

    Non lo fanno in questo caso. Lo studio ha rivelato che solo i complessi nanorod-proteina aggregati producono un segnale CD, causati sia da proteine ​​negli spazi tra le nanoparticelle che da assemblaggi di nanoparticelle chirali.

    Qingfeng Zhang, borsista postdottorato alla Rice University, lavora nel laboratorio laser dove lui e i suoi colleghi hanno scoperto l'insolita interazione chirale tra nanobarre d'oro e proteine ​​di albumina di siero bovino, l'argomento di una tesina su Science. Il loro lavoro ha rivelato che le proteine ​​spingono i nanotubi d'oro a formare assemblaggi chirali destrorsi mentre producono segnali plasmonici chirali da abbinare. Il fenomeno potrebbe portare a una tecnica che consente ai ricercatori di determinare la purezza chirale delle proteine ​​fondamentali per la progettazione di farmaci. Credito:Jeff Fitlow/Rice University

    È stata una sorpresa completa, Landes ha detto, che le proteine ​​dirigevano l'assemblaggio dei nanotubi chirali in modo tale che la manualità dell'assemblaggio corrispondesse alla manualità delle proteine. "Stavamo cercando di testare un'ipotesi sull'origine del segnale chirale che altre persone hanno riportato negli studi sugli insiemi di nanoparticelle, " ha detto. "Proviene da nanostrutture chirali? È dalla proteina? E abbiamo scoperto che sono entrambe le cose.

    "Inoltre, la biomolecola proteica con una manualità preferenziale induce quella manualità in aggregati di nanorod molto più grandi, "Ha detto Landes. "Questa è stata la scoperta che non ci aspettavamo".

    Link ha spiegato che la chiralità dei nanorod è una questione di posizionamento. "Due nanobarre perpendicolari sono achirali, " ha detto. "Se sono paralleli, sono achirali. Ma se sono allineati ad altri angoli, sono chirali. La difficoltà è stata nel progettare un esperimento per determinare da dove proviene il CD quando si hanno miscele di proteine, nanotubi e aggregati achirali e chirali".

    Utilizzando una nuova tecnica sviluppata nel laboratorio Link chiamata spettroscopia di diffusione differenziale circolare a particella singola (CDS), i ricercatori hanno confermato che solo i complessi aggregati nanorod-BSA hanno mostrato chiralità. Quando gli aggregati sono stati eccitati con luce visibile, l'effetto antenna degli hot spot plasmonici ha amplificato la risposta chirale normalmente debole delle proteine ​​nei gap interparticellari.

    La chiave del loro successo, Landes ha detto, era un programma di imaging personalizzato dello studente laureato e coautore della Rice Rashad Baiyasi che ha permesso loro di identificare singole particelle e piccoli aggregati tra i campioni su nanoscala e quindi mettere in relazione la spettroscopia con i punti caldi e l'ordinamento preferenziale.

    Gli anni sabbatici di primavera sia per Landes che per Link si sono rivelati un momento perfetto anche per il progetto, quando hanno attirato l'attenzione della co-autrice Jennifer Dionne, direttore dello Stanford Photonics Research Center e specialista in microscopia elettronica criogenica. Dionne ha dimostrato che il congelamento delle soluzioni particella-proteina consentirebbe ai ricercatori di visualizzare direttamente come le particelle si sono allineate in 3-D.

    Ciò ha contribuito a eliminare qualsiasi incertezza che l'appiattimento degli assemblaggi chirali su una superficie stesse cambiando il segnale.

    In un altro esperimento, i ricercatori hanno sostituito la BSA con sale da cucina disciolto per vedere come reagivano le particelle. Hanno scoperto che i nanotubi si sarebbero aggregati, ma in una miscela di disposizioni achirali e chirali aventi la stessa quantità di specie mancine e destrorse senza una manualità generale preferita, e quindi senza segnale CD d'insieme. "Ha confermato che la BSA distorce la formazione di una certa manualità delle nanostrutture, " ha detto Link. "Non sappiamo ancora perché o quanto sia generale questo fenomeno".

    Landes ha detto che i ricercatori sono "circa 14 passaggi" dal giudicare la chiralità di una singola proteina. Se è possibile, ha detto che la scoperta del riso potrebbe fornire l'unico percorso verso il rilevamento senza etichetta delle conformazioni di singole proteine. Questo ha un valore oltre misura per i chimici farmaceutici che lottano per creare lotti di proteine ​​con una particolare manualità, un fattore critico nella progettazione di farmaci.

    "Il sogno finale ha due parti:una è che possiamo rilevare dinamicamente conformazioni di singole proteine, e l'altro è che possiamo farlo all'interno di tessuti viventi, " Landes ha detto. "Non c'è mai modo che tu possa usare la luce ultravioletta (invisibile) per farlo. L'unico modo per immaginare qualcosa di vivo, una cellula o un animale, sarebbe spostare quella luce sul rosso, come abbiamo fatto in questi esperimenti".


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