Spesso considerati i cavalli di battaglia del corpo, le proteine ​​sono tra le più importanti biomolecole critiche per i processi vitali. Forniscono la base strutturale per cellule e tessuti ed eseguono una serie vertiginosa di compiti, dal metabolizzare l'energia e aiutare le cellule a comunicare tra loro alla difesa del corpo dai patogeni e guidare la divisione e la crescita cellulare.

Poiché la disfunzione proteica è implicata in così tante malattie gravi, le proteine ​​sono i bersagli primari per la maggior parte dei farmaci terapeutici.

In un nuovo studio, Shaopeng Wang ei suoi colleghi descrivono un metodo per esaminare le proteine ​​nei minimi dettagli. Per fare questo, il suo gruppo fa un uso intelligente di un fenomeno noto come risonanza plasmonica di superficie (SPR), incorporandolo in un innovativo tipo di microscopio.

Sebbene la SPR sia stata una potente tecnica per investigare il mondo dei più piccoli, comprese le interazioni di batteri e virus, lo studio segna la prima occasione in cui SPR è stato utilizzato con successo per l'immagine di singole molecole, in questo caso, proteine. Il nuovo metodo è noto come microscopia a dispersione di plasmoni.

Secondo Wang:"La corsa allo sviluppo di questa tecnologia è iniziata 20 anni fa". Insieme all'autore principale NJ Tao, il gruppo ha calcolato che una forma modificata di SPR dovrebbe avere la sensibilità per risolvere singole proteine, anche se è stato necessario molto lavoro preparatorio per rendere questo una realtà.

Wang è ricercatore presso il Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. La nuova ricerca appare nell'aggiunta online avanzata della rivista Metodi della natura . Pengfei Zhang, un postdoc in centro, è l'autore principale del documento.

L'uso di SPR consente ai ricercatori di studiare le dinamiche delle proteine ​​​​della superficie cellulare, bersagli primari per la progettazione di farmaci, che sono particolarmente difficili da osservare utilizzando la cristallografia a raggi X o la spettroscopia NMR, le due tecniche convenzionali solitamente utilizzate per caratterizzare le proteine.

Ma cos'è un plasmone di superficie? "Una proprietà del metallo è che hai molti elettroni liberi, "Wang dice, riferito agli elettroni non legati agli atomi. "Quando la condizione della luce incidente su questi elettroni è giusta, l'energia nella luce fa risuonare questi elettroni. Questi elettroni oscillanti producono un'onda attraverso la superficie metallica. Questa è la risonanza plasmonica di superficie".

Per rilevare il legame di una molecola di analita (come una proteina) a una molecola di recettore utilizzando SPR, la molecola del recettore viene solitamente immobilizzata sulla superficie del sensore e la molecola dell'analita viene aggiunta ad una soluzione acquosa. La luce polarizzata è tipicamente diretta sotto la superficie di un sottile film d'oro, dove i plasmoni di superficie sono generati ad un particolare angolo della luce incidente. Il confinamento superficiale della luce da parte del plasmone di superficie è visto come una diminuzione dell'intensità della luce riflessa.

Quando le molecole proteiche si legano a molecole recettoriali immobilizzate, l'indice di rifrazione alla superficie dell'oro cambia, alterando la condizione di risonanza plasmonica superficiale e producendo un aumento dell'intensità del segnale.

Per perfezionare e calibrare il sistema, i ricercatori hanno osservato per la prima volta eventi di legame utilizzando nanoparticelle di polistirene, la cui dimensione può essere controllata con precisione. Le nanoparticelle hanno anche il vantaggio di produrre un contrasto maggiore, aiutando la loro rilevazione da SPR. L'utilizzo di nanoparticelle sempre più piccole ha consentito al gruppo di raggiungere le minuscole dimensioni di una proteina biologica.

Per ottenere una risoluzione così impressionante, i ricercatori hanno utilizzato una variante della tecnica SPR, rilevare la luce sugli eventi di legame alle proteine ​​dall'alto, piuttosto che sotto, che elimina drasticamente il rumore di fondo, producendo un'immagine nitida. Poiché le proteine ​​legate diffondono la luce SPR in tutte le direzioni, il rilevamento dall'alto evita la luce riflessa, migliorando notevolmente la qualità dell'immagine.

Wang paragona l'effetto al vedere le stelle sullo sfondo della cortina di oscurità, mentre le stelle sono invisibili all'occhio sullo sfondo rumoroso della luce del giorno. Il rilevamento di singole proteine ​​può essere realizzato senza una sorgente luminosa molto potente, poiché SPR produce un forte miglioramento del campo luminoso vicino alla superficie del sensore, chiarire il segnale proteico.

Puntando sull'affinità di legame alle proteine, uno dei parametri chiave critici per la progettazione di sistemi più sicuri, farmaci più efficaci, la nuova tecnica SPR dovrebbe avere un brillante futuro nell'arena biomedica, oltre a gettare nuova luce su questioni fondamentali su scala molecolare.