"Mappe" di microscopia elettronica di nanoparticelle d'oro ottaedriche circondate da gusci cubici d'argento. Attaccare una biomolecola (ad es. DNA) a queste nanoparticelle rafforza di 100 volte un segnale che rappresenta una differenza tra la risposta alla luce delle molecole destrorse e mancine, e lo spinge verso la gamma visibile dello spettro elettromagnetico.
(Phys.org) —Nelle reazioni chimiche, destra e sinistra possono fare una grande differenza. Una molecola "mancina" di una particolare composizione chimica potrebbe essere un farmaco efficace, mentre la sua controparte "destra" speculare potrebbe essere completamente inattiva. È perché, in biologia, I progetti molecolari "sinistra" e "destra" sono cruciali:gli organismi viventi sono costituiti solo da amminoacidi levogiri. Quindi distinguere i due è importante, ma difficile.
Ora, un team di scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dell'Università dell'Ohio ha sviluppato un nuovo modo più semplice per discernere la manualità molecolare, noto come chiralità. Hanno usato nanoparticelle cubiche d'oro e d'argento per amplificare la differenza nella risposta delle molecole destrorse e mancine a un particolare tipo di luce. Lo studio, descritto nel giornale Nanolettere , fornisce la base per un nuovo modo di sondare gli effetti della manualità nelle interazioni molecolari con una sensibilità senza precedenti.
"La nostra scoperta e i metodi basati su questa ricerca potrebbero essere estremamente utili per la caratterizzazione delle interazioni biomolecolari con i farmaci, sondare il ripiegamento delle proteine, e in altre applicazioni in cui le proprietà stereometriche sono importanti, " ha detto Oleg Gang, ricercatore presso il Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials e autore principale dell'articolo. "Potremmo usare questo stesso approccio per monitorare i cambiamenti conformazionali nelle biomolecole in condizioni ambientali variabili, come la temperatura, e anche per fabbricare nano-oggetti che mostrano una risposta chirale alla luce, che potrebbero quindi essere utilizzati come nuovi tipi di sensori su nanoscala".
Gli scienziati sapevano che le molecole chirali destrorse e sinistre avrebbero interagito in modo diverso con la luce "polarizzata circolarmente", dove la direzione del campo elettrico ruota attorno all'asse del raggio. Questa idea è simile al modo in cui gli occhiali da sole polarizzati filtrano l'abbagliamento riflesso a differenza delle normali lenti.
Altri scienziati hanno rilevato questa differenza, chiamato "dicroismo circolare, " nelle "impronte digitali" spettroscopiche delle molecole organiche, mappe dettagliate delle lunghezze d'onda della luce assorbita o riflessa dal campione. Ma per la maggior parte delle biomolecole chirali e molte molecole organiche, questo segnale "CD" è nella gamma ultravioletta dello spettro elettromagnetico, e il segnale è spesso debole. I test richiedono quindi quantità significative di materiale a concentrazioni impraticabili.
Il team è stato incoraggiato a trovare un modo per migliorare il segnale da recenti esperimenti che mostrano che l'accoppiamento di determinate molecole con nanoparticelle metalliche potrebbe aumentare notevolmente la loro risposta alla luce. Il lavoro teorico ha persino suggerito che queste cosiddette particelle plasmoniche, che inducono un'oscillazione collettiva degli elettroni conduttivi del materiale, portando a un maggiore assorbimento di una particolare lunghezza d'onda, potrebbe far urtare il segnale nella porzione di luce visibile dell'impronta digitale spettroscopica, dove sarebbe più facile misurare.
Il gruppo ha sperimentato diverse forme e composizioni di nanoparticelle, e ha scoperto che i cubi con un centro d'oro circondato da un guscio d'argento non solo sono in grado di mostrare un segnale ottico chirale nell'intervallo del vicino visibile, ma ancora più sorprendente, erano amplificatori di segnale efficaci. Per la loro biomolecola di prova, hanno usato filamenti sintetici di DNA, una molecola che avevano familiarità con l'uso come "colla" per attaccare insieme le nanoparticelle.
Quando il DNA è stato attaccato ai nanocubi rivestiti d'argento, il segnale era circa 100 volte più forte di quello del DNA libero nella soluzione. Questo è, le nanoparticelle cubiche hanno permesso agli scienziati di rilevare il segnale ottico dalle molecole chirali (rendendole "visibili") a concentrazioni 100 volte inferiori.
"Si tratta di un'amplificazione ottica molto grande rispetto a quanto osservato in precedenza, " disse Fang Lu, il primo autore sulla carta.
L'amplificazione osservata del segnale di dicroismo circolare è una conseguenza dell'interazione tra le particelle plasmoniche e l'"eccitone, "o assorbimento di energia, elettroni all'interno del complesso DNA-nanocubo, spiegarono gli scienziati.
"Questa ricerca potrebbe fungere da piattaforma promettente per il rilevamento ultrasensibile di molecole chirali e le loro trasformazioni in materiali sintetici, biomedico, e applicazioni farmaceutiche, " disse Lu.
"Inoltre, " ha detto Gang, "il nostro approccio offre un modo per fabbricare, tramite autoassemblaggio, nano-oggetti discreti plasmonici con una risposta ottica chirale da nano-componenti strutturalmente non chirali. Questi oggetti plasmonici chirali potrebbero migliorare notevolmente la progettazione di metamateriali e nano-ottica per applicazioni nella raccolta di energia e nelle telecomunicazioni ottiche".
