18 settembre 2018—I chimici dell'Università dell'Oregon hanno creato una nuova classe di coloranti fluorescenti che funzionano in acqua ed emettono colori basati esclusivamente sul diametro dei nanotubi circolari fatti di carbonio e idrogeno.

Il team di sei membri ha riferito della scoperta, che viene ora esplorato per il suo potenziale utilizzo nell'imaging biologico, in un documento ad accesso aperto pubblicato online il 30 agosto, prima della stampa sul giornale Scienze Centrali ACS .

Il documento descrive in dettaglio come le molecole organiche sintetizzate chiamate nanohoops, che inizialmente non erano solubili in acqua, sono stati manipolati con una catena laterale chimica per consentire loro di passare attraverso le membrane cellulari e mantenere i loro colori all'interno delle cellule vive.

Per anni, gli scienziati coinvolti nella ricerca biologica e nella diagnostica medica si sono affidati a composti chimici chiamati fluorofori, che hanno strutture piatte ed emettono colori diversi su eccitazione della luce, per etichettare specifiche molecole biologiche. Il potenziale delle strutture circolari per fornire nuove proprietà fluorescenti è molto meno esplorato.

Nanohoop, che sono brevi fette circolari di nanotubi di carbonio, potrebbe consentire l'uso di più colori fluorescenti, innescato da una singola eccitazione, per monitorare contemporaneamente più attività nelle cellule vive, ha detto il coautore dello studio Ramesh Jasti, professore presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'UO e membro del Materials Science Institute.

"La fluorescenza dei nanocerchi è modulata in modo diverso rispetto alla maggior parte dei fluorofori comuni, il che suggerisce che ci sono opportunità uniche per l'utilizzo di questi coloranti nanohoop nelle applicazioni di rilevamento, " ha detto il co-autore Michael Pluth, anche professore presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'UO. "Questi coloranti mantengono la loro fluorescenza in un'ampia gamma di valori di pH, rendendoli fluorofori funzionali e stabili in un'ampia gamma di condizioni acide e basiche".

I ricercatori dei laboratori Jasti e Pluth hanno collaborato alla ricerca, finanziato dalla National Science Foundation, Istituto Nazionale della Salute, Fondazione Sloan e Fondazione Camille e Henry Dreyfus.

I nanocerchi hanno una precisa composizione atomica, disse Jasti. Una volta che una catena laterale chimica è stata progettata dall'autrice principale dello studio Brittany M. White, uno studente di dottorato nel laboratorio di Jasti, i nanocerchi sono diventati solubili e sono passati liberamente attraverso le membrane cellulari ma non sono andati in particolari siti.

"Le strutture circolari come questi nanocerchi si dissolvono in mezzi acquosi meglio delle strutture piatte, " Ha detto Jasti. "L'abbiamo capito semplicemente facendolo. Non faceva parte del piano. Volevamo solo realizzare nanostrutture di carbonio in modo ultrapuro. Le emissioni luminose delle diverse dimensioni che hanno prodotto sono appena accadute. È un fenomeno su scala nanometrica".

In un passaggio successivo, co-autore Yu Zhao, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Pluth, esplorato dove stavano andando i nanohoop all'interno delle cellule e se possono essere guidati in particolari siti all'interno delle cellule. Una catena laterale aggiunta contenente acido folico ha portato i nanohoop alle cellule tumorali.

"Quel successo ci ha detto che questi nanohoop possono essere trasferiti a diversi tipi di cellule o persino a compartimenti intracellulari, " Ha detto Jasti. "Questo ha suggerito anche il loro possibile uso nella diagnostica medica o addirittura nella somministrazione di farmaci, perché i nostri nanohoop possono facilmente trasportare piccoli scomparti che andranno in luoghi specifici".

Livelli di tossicità dei nanocerchi, Ha aggiunto, non sono diversi dai coloranti fluorescenti tradizionalmente usati.

In uno sforzo appena finanziato, Jasti sta lavorando con Xiaolin Nan del Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Oregon Health &Science University di Portland per perseguire l'uso dei nanohoop nell'imaging biologico. Il progetto è tra i 10 finanziati nell'ambito del programma 2018 OHSU-UO Collaborative Seed Grant. Pluth è un beneficiario di una sovvenzione seme separata nel programma.

"Non abbiamo mai visto niente di simile a questi nanocerchi nel mondo della chimica dei coloranti prima, " ha detto il coautore dello studio Bruce P. Branchaud, professore emerito di chimica e biochimica presso l'UO e illustre scienziato nel Cancer Early Detection Advanced Research Center del Knight Cancer Institute dell'OHSU.

"Tutti gli altri coloranti sono stati piatti, considerando che questi nanocerchi sono cerchi non planari, " ha detto. "Le loro strutture uniche forniscono proprietà uniche che intendiamo sviluppare e sfruttare per nuovi significativi contributi alla biologia chimica, biotecnologia, scienze biomediche e medicina".