(Phys.org) -- Immagina di seguire un cervo attraverso una foresta agganciandogli un trasmettitore radio all'orecchio e monitorando la posizione del cervo da remoto. Ora immagina che il trasmettitore abbia le dimensioni di una casa, e capisci il problema che i ricercatori possono incontrare quando cercano di utilizzare le nanoparticelle per tracciare le proteine ​​nelle cellule vive.

Comprendere come una proteina si muove intorno a una cellula aiuta i ricercatori a comprendere la funzione della proteina e i meccanismi cellulari per la produzione e l'elaborazione delle proteine. Queste informazioni aiutano anche i ricercatori a studiare le malattie, che a livello cellulare può significare che una proteina non funziona correttamente, smette di essere fatto, o viene inviato alla parte sbagliata della cella. Ma le sonde di nanoparticelle troppo grandi possono interrompere le normali attività di una proteina.

Ora un team di scienziati guidato da Bruce Cohen della Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory, un centro di nanoscienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha scoperto come far crescere nanocristalli che emettono luce abbastanza piccoli da non interrompere l'attività cellulare ma abbastanza luminosi da poter essere ripresi uno alla volta. Cohen è l'autore corrispondente di un articolo nel 16 febbraio, numero 2012 di ACS Nano descrivendo questo lavoro intitolato, “Sintesi controllata e imaging a particella singola di Bright, Nanocristalli sub-conversione lantanidi sub-10 nm.” I coautori sono Alexis Ostrowski, Emory Chan, Daniele Garga, Elan Katz, Gang Han, James Schuck, e Delia Milliron.

“Gli scienziati hanno cercato per anni di studiare il comportamento delle proteine ​​etichettandole con sonde a emissione di luce, ” ha detto Cohen. “Ma il problema è trovare il giusto tipo di sonda. Il nostro approccio è quello di creare sonde di nanoparticelle di conversione abbastanza piccole da non interrompere il comportamento delle proteine.

Fare una sonda migliore

Nel passato, i ricercatori hanno utilizzato molecole fluorescenti o punti quantici come sonde. Utilizzando ottiche e microscopi all'avanguardia, i ricercatori possono risolvere la luce proveniente da singole molecole attaccate a proteine, che dice loro dove si trova la proteina in una cellula. Le molecole della sonda in questi esperimenti tendono a degradarsi o "fotocandeggiarsi" rapidamente, limitando i ricercatori a pochi secondi di imaging continuo oa una serie di immagini scattate a distanza di pochi secondi. Le sonde alternative, punti quantici, soffrono meno di photobleaching ma invece si accendono e si spengono, allo stesso modo limitando la loro utilità come sonde.

Il team di Foundry voleva evitare sia l'ammiccamento che lo sbiancamento, così si sono rivolti a nanocristalli di fluoruro di ittrio di sodio (NaYF ₄ ) con tracce di elementi lantanidi itterbio ed erbio, quale, Hanno scoperto, emetti lucente, luce fissa ideale per il bioimaging. Ma ancora più importante, questi nanocristalli “convertono” la luce, assorbendo fotoni a bassa energia e riemettendoli a energie più alte.

“In genere, quando qualcosa di fluorescente assorbe la luce, emette luce con un'energia leggermente inferiore. Upconversion va dall'altra parte, aumentando effettivamente l'energia della luce emessa, "Ha detto Cohen. “Nel nostro caso siamo entusiasmanti con una luce a energia piuttosto bassa, vicino infrarosso (oltre il rosso nello spettro visibile), e poi i nanocristalli emettono luce nel visibile, come il verde o il rosso, che in realtà è più alto di energia.”

Il vantaggio della conversione dei nanocristalli è che le cellule non convertono la luce da sole. Normalmente quando gli scienziati immaginano una cellula usando sonde molecolari, usano la luce a lunghezza d'onda visibile sia per eccitare che per immaginare. Sfortunatamente, molte cose nella cellula riemettono anche la luce assorbita a queste lunghezze d'onda, che crea rumore di fondo nell'immagine e costringe gli scienziati a utilizzare più sonde e fonti di luce più luminose. Con i nanocristalli upconverting, i ricercatori possono stimolare delicatamente con la luce infrarossa e osservare la luce visibile di singole sonde che si stagliano chiaramente su uno sfondo scuro.

"L'altro vantaggio della conversione dei nanocristalli è che la luce nel vicino infrarosso è molto meno dannosa per le cellule rispetto a dire, luce visibile o ultravioletta, ” ha detto Cohen. "Ciò significa che quando eseguiamo questi lunghissimi esperimenti di imaging utilizzando intensi poteri della luce per vedere singole molecole, stiamo usando lunghezze d'onda che sono piuttosto benigne per le cellule”.

Una soluzione combinatoria

Nanocristalli di NaYF ₄ può formarsi in due diverse geometrie chiamate alfa e beta. I nanocristalli in fase beta sono più efficienti nell'upconversion e quindi migliori per il bioimaging, ma sono anche più difficili da coltivare. Al fine di definire i parametri di crescita per ottenere beta-NaYF . riproducibile ₄ nanocristalli, il team ha utilizzato il robot WANDA di Molecular Foundry, la Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis, sviluppato da Emory Chan e Delia Milliron di Berkeley Lab.

“Niente di tutto questo sarebbe possibile senza essere in grado di fare ciò che noi della Fonderia chiamiamo nanoscienza combinatoria. Fondamentalmente ciò significa eseguire molte, molte reazioni diverse in WANDA per imparare a controllare le dimensioni o il colore delle nanoparticelle, ” ha detto Cohen. "Abbiamo eseguito migliaia di reazioni diverse per imparare a coltivare queste cose".

Nanoparticelle più piccole significa meno luce, quindi la squadra ha dovuto trovare il punto debole:

Quanto piccoli potrebbero renderli ed essere ancora in grado di visualizzare i singoli nanocristalli in un sistema vivo? "Questa è una delle cose belle dell'avere questo controllo è che non solo possiamo farli scendere a, dire, 5 nanometri, ma conosciamo anche le condizioni per renderli più grandi se dobbiamo renderli più luminosi, "Ha detto Cohen.

Per aiutare a capire la geometria dei loro nanocristalli, il coautore James Schuck ha chiesto a uno stagista estivo di realizzare un modello al computer della struttura cristallina. Andrew Mueller, uno studente delle superiori della Vistamar School di Los Angeles, è andato ben oltre una semplice struttura cristallina però.

“Ho iniziato a mettere insieme le forme in base a ciò che c'era nella letteratura per il cristallo, ” ha detto Mueller. "Poi volevo mostrare come appariva in un nanocristallo, quindi ho spostato la fotocamera nella struttura e ho fatto una panoramica per mostrare come gli atomi si uniscono in un nanocristallo." Mueller ha successivamente aggiunto l'animazione di due fotoni che vengono assorbiti e convertiti in un singolo emesso fotone.

“Il video è una buona risposta alla domanda, cos'è un nanocristallo?", ha detto Cohen. "Puoi vedere che questo è davvero solo poche centinaia o forse un paio di migliaia di atomi in un nanocristallo, disposti in piccoli, schemi regolari”.

Prossimo, il team vuole mettere in azione i nanocristalli di conversione e mappare effettivamente singole proteine ​​che si muovono attraverso una cellula. "Una delle cose che vorremmo studiare è come due neuroni si uniscono, come due cellule cerebrali si uniscono per formare una sinapsi - gli spazi tra i neuroni responsabili di tutta l'attività cerebrale, "Ha detto Cohen. "È noto che ci sono alcune coppie di proteine ​​che si uniscono da due neuroni e si trovano l'un l'altro e formano una sinapsi, ma la domanda è:quanti di quelli ti servono? Quante coppie di proteine? È sufficiente una sola interazione per far formare una sinapsi, si invertono, e così via? Ora che sappiamo come produrre esattamente le nanoparticelle che vogliamo, il passo successivo è testarli in una cella”.

Questo lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti Office of Science.