Le nanoparticelle d'oro ci danno una migliore comprensione degli enzimi e di altre molecole. Biswajit Pradhan, dottorato di ricerca candidato presso l'Istituto di Fisica di Leiden, utilizza nanotubi d'oro per studiare singole molecole che altrimenti sarebbe difficile rilevare. La conoscenza risultante può essere applicata a molti campi di ricerca, come il miglioramento dell'efficienza delle celle solari e la fototerapia del cancro.

Gli organismi prosperano grazie a dozzine di attività biomolecolari, con l'enzima che gioca un ruolo importante. Ad esempio, aiutano a degradare l'amido in zuccheri più piccoli. Altri enzimi svolgono ruoli importanti nella scomposizione delle proteine. Per comprendere meglio queste attività, gli scienziati utilizzano tecniche diverse per rendere visibili le molecole coinvolte. La microscopia a fluorescenza è una delle tecniche comunemente usate per questo.

Il problema che a volte gli scienziati devono affrontare è che alcune molecole non possono essere rilevate perché non emettono luce. Perciò, Pradhan ha lavorato su una soluzione. "Ho attaccato singole molecole a nanotubi d'oro. I nanotubi agiscono come antenne molto piccole emettendo luce, aumentare la fluorescenza della molecola attaccata. Questo ci consente di studiare singole proteine ​​o altri complessi che altrimenti non sarebbero rilevabili dalla fluorescenza".

Pradhan ha utilizzato i nanotubi d'oro per studiare l'attività enzimatica nell'azzurina. Questo enzima può essere trovato nei batteri, svolgere un ruolo nella denitrificazione. In questo processo, i batteri producono azoto dal nitrato. È comunemente accettato che l'attività degli enzimi coinvolti in questo processo rimanga invariabile su tempi ridotti. Però, Pradhan ha scoperto qualcos'altro.

"Abbiamo scoperto che l'azurina mostra periodi pigri e impegnati nella sua attività in pochi secondi. Come altri enzimi, l'azurina converte il substrato in prodotto. Durante i periodi di maggiore affluenza, l'enzima forma frequentemente prodotti mentre meno frequentemente nei periodi pigri. Azurin cambia la sua attività modificandone l'assetto strutturale. Tale flessibilità nella struttura potrebbe essere la ragione per la formazione di enzimi efficienti durante l'evoluzione".

L'azzurrina trasferisce gli elettroni tra le proteine. Perciò, può essere utilizzato come sensore per misurare il potenziale redox in una cellula vivente. Pradhan spiega:"Il trasferimento di energia all'interno delle cellule viventi avviene tramite il trasferimento di elettroni da una biomolecola a un'altra. Per l'elettricità in casa, gli elettroni fluiscono da un'estremità ad alto potenziale a un'estremità a basso potenziale. Allo stesso modo, nelle cellule, il trasferimento di elettroni avviene da una proteina a un'altra proteina nella cellula con basso potenziale. Il potenziale redox è definito come la tendenza dell'ambiente circostante alla proteina a dare o accettare un elettrone".

Pradhan ha sviluppato un metodo per osservare una singola azzurrina in azione mentre avviene il trasferimento di elettroni. "La velocità con cui espelle e accetta l'elettrone fornisce una stima diretta del potenziale circostante. Anche se non abbiamo realizzato un sensore, Nella mia tesi ho caratterizzato le proprietà di trasferimento di elettroni dell'azurina."

In un altro esperimento, Pradhan ha usato il DNA come strumento per controllare in modo molto preciso la posizione delle singole molecole vicino al nanorod d'oro. "Se il numero di elementi costitutivi di un filamento di DNA su ciascun filamento è inferiore a 50, allora il DNA a doppio filamento si comporterà come una bacchetta dritta senza flessibilità. Immagina una corda lunga pochi centimetri; lo troverai sempre dritto. Se aumenti la lunghezza della corda, inizia a piegarsi e torcersi. Questa lunghezza minima al di sopra della quale una corda o uno spago inizia a piegarsi è chiamata lunghezza di persistenza."

Nel suo esperimento, Pradhan attaccò permanentemente un breve DNA a singolo filamento alla punta di un nanorod d'oro. Quindi ha permesso a filamenti di DNA complementari di diffondersi attorno ad esso. "Ogni filamento complementare contiene la singola molecola che vogliamo indagare. A causa del debole legame dei brevi filamenti di DNA, il tempo di rilegatura è breve. Ogni filamento complementare si lega temporaneamente e viene quindi sostituito da un nuovo filamento complementare. Questo ci ha permesso di studiare singole molecole sulla stessa nano-antenna. Questa tecnica può essere applicata a molti campi di ricerca, come migliorare l'efficienza delle celle solari e la fototerapia del cancro".

Il 3 aprile 2018 Biswajit Pradhan difenderà la sua tesi, "Fluorescenza di singole proteine ​​di rame:disturbo dinamico e miglioramento di un nanorod d'oro".