Al centro del sistema immunitario che protegge il nostro corpo dalle malattie e dagli invasori stranieri c'è una vasta e complessa rete di comunicazioni che coinvolge milioni di cellule, inviare e ricevere segnali chimici che possono significare vita o morte. Al centro di questa vasta rete di segnalazione cellulare ci sono le interazioni tra miliardi di proteine ​​e altre biomolecole. Queste interazioni, a sua volta, sono fortemente influenzati dal patterning spaziale delle molecole di segnalazione e recettore. La capacità di osservare i modelli spaziali di segnalazione nel sistema immunitario e in altri sistemi cellulari mentre si evolvono, e studiare l'impatto sulle interazioni molecolari e, in definitiva, comunicazione cellulare, sarebbe uno strumento fondamentale nella lotta contro i disturbi immunologici e di altro tipo che portano a un'ampia gamma di problemi di salute, compreso il cancro. Uno strumento del genere è ora a portata di mano.

Ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università della California (UC) Berkeley, hanno sviluppato la prima applicazione pratica delle nanoantenne ottiche nella biologia delle membrane cellulari. Un team scientifico guidato dal chimico Jay Groves ha sviluppato una tecnica per allacciare membrane lipidiche artificiali con miliardi di nanoantenne "a farfalla" d'oro. Attraverso il fenomeno noto come "plasmonica, Queste nanoantenne possono aumentare l'intensità di un segnale ottico fluorescente o Raman da una proteina che passa attraverso un "punto caldo" plasmonico decine di migliaia di volte senza che la proteina venga mai toccata.

"La nostra tecnica è minimamente invasiva poiché il miglioramento dei segnali ottici si ottiene senza richiedere alle molecole di interagire direttamente con la nanoantenna, " Dice Groves. "Questo è un importante miglioramento rispetto ai metodi che si basano sull'adsorbimento di molecole direttamente sulle antenne dove la loro struttura, orientamento, e il comportamento può essere alterato."

Groves tiene appuntamenti congiunti con la divisione di bioscienze fisiche del Berkeley Lab e il dipartimento di chimica dell'UC Berkeley, ed è anche un investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute. È l'autore corrispondente di un articolo che riporta questi risultati sulla rivista Nano lettere . Il documento è intitolato "Tracciamento di singole molecole su membrane supportate con array di nanoantenne ottiche". I co-autori dell'articolo erano Theo Lohmuller, Lars Iversen, Mark Schmidt, Cristoforo Rodi, Hsiung-Lin Tu e Wan-Chen Lin.

Emissioni fluorescenti, in cui le biomolecole di interesse sono contrassegnate con coloranti che diventano fluorescenti quando stimolati dalla luce, e spettroscopia Raman, in cui la diffusione della luce mediante vibrazioni molecolari viene utilizzata per identificare e localizzare le biomolecole, sono tecniche di imaging ottico da lavoro il cui valore è stato ulteriormente rafforzato dall'emergere della plasmonica. Nella plasmonica, le onde luminose vengono schiacciate in aree con dimensioni inferiori alla metà della lunghezza d'onda dei fotoni incidenti, rendendo possibile applicare tecniche di imaging ottico a oggetti su scala nanometrica come le biomolecole. Particelle d'oro di dimensioni nanometriche nel

forma di triangoli accoppiati in una formazione da punta a punta, come un papillon, possono fungere da antenne ottiche, catturare e concentrare le onde luminose in punti caldi ben definiti, dove l'effetto plasmonico è notevolmente amplificato. Sebbene il concetto sia ben consolidato, applicarlo agli studi biomolecolari è stata una sfida perché gli array di particelle d'oro devono essere fabbricati con spaziatura nanometrica ben definita, e le molecole di interesse devono essere consegnate agli hot-spot plasmonici.

"Siamo in grado di fabbricare miliardi di nanoantenne d'oro in una membrana artificiale attraverso una combinazione di litografia colloidale e lavorazione al plasma, " Groves dice. "La spaziatura controllata delle lacune delle nanoantenna si ottiene sfruttando il fatto che le particelle di polistirene si fondono insieme nel loro punto di contatto durante la lavorazione del plasma. Il risultato è una distanza ben definita tra ciascuna coppia di triangoli d'oro nell'array finale con una distanza da punta a punta tra i nanotriangoli d'oro vicini che misurano nell'intervallo da 5 a 100 nanometri".

Fino ad ora, Groves dice, non è stato possibile disaccoppiare le dimensioni dei nanotriangoli d'oro, che determina la loro frequenza di risonanza plasmonica superficiale, dalla distanza da punta a punta tra le singole caratteristiche delle nanoparticelle, che è responsabile dell'aumento dell'effetto plasmonico. Con il loro approccio alla litografia colloidale, un monostrato esagonale autoassemblante di sfere polimeriche viene utilizzato per mascherare l'ombra di un substrato per la successiva deposizione delle nanoparticelle d'oro. Quando la maschera colloidale viene rimossa, ciò che rimane sono grandi schiere di nanoparticelle d'oro e triangoli su cui può essere formata la membrana artificiale.

Le membrane artificiali uniche, che Groves e il suo gruppo di ricerca hanno sviluppato in precedenza, sono un'altra chiave per il successo di questo ultimo traguardo. Costituito da un doppio strato fluido di molecole lipidiche, queste membrane sono le prime piattaforme biologiche in grado di combinare il nanopatterning fisso con la mobilità dei doppi strati fluidi. Forniscono una capacità senza precedenti per lo studio di come i modelli spaziali delle proprietà chimiche e fisiche sulle superfici delle membrane influenzano il comportamento delle cellule.

"Quando incorporiamo le nostre membrane artificiali con nanoantenne d'oro, possiamo tracciare le traiettorie delle singole proteine ​​che si diffondono liberamente mentre passano sequenzialmente attraverso e sono migliorate dai molteplici spazi tra i triangoli, " dice Groves. "Questo ci permette di studiare un sistema realistico, come una cellula, che può coinvolgere miliardi di molecole, senza l'intrappolamento statico delle molecole."

Poiché le molecole nelle cellule viventi sono generalmente in uno stato di moto perpetuo, spesso sono il loro movimento e le interazioni con altre molecole piuttosto che le posizioni statiche che determinano le loro funzioni all'interno della cellula. Groves afferma che qualsiasi tecnica che richieda l'adsorbimento diretto di una molecola di interesse su una nanoantenna rimuove intrinsecamente quella molecola dall'insieme funzionante che è l'essenza del suo comportamento naturale. La tecnica che lui e i suoi coautori hanno sviluppato consente loro di osservare le singole biomolecole ma nel contesto della comunità circostante.

"The idea that optical nanoantennas can produce the kinds of enhanced signals we are observing has been known for years but this is the first time that nanoantennas have been fabricated into a fluid membrane so that we can observe every molecule in the system as it passes through the antenna array, " Groves says. "This is more than a proof-of-concept we've shown that we now have a useful new tool to add to our repertoire."