Essere in grado di tracciare le singole biomolecole e osservarle all'opera è il sogno di ogni biochimico. Ciò consentirebbe agli scienziati di effettuare ricerche in dettaglio e comprendere meglio il funzionamento delle nanomacchine della vita, come ribosomi e DNA polimerasi. I ricercatori del Max Planck Institute for the Science of Light hanno compiuto un grande passo avanti verso questo obiettivo. Utilizzando una microstruttura ottica e nanoparticelle d'oro, hanno amplificato l'interazione della luce con il DNA nella misura in cui possono ora monitorare le interazioni tra i singoli segmenti di molecole di DNA. Così facendo, si sono avvicinati ai limiti di ciò che è fisicamente possibile. Il loro biosensore ottico per singole molecole non etichettate potrebbe anche rappresentare una svolta nello sviluppo di biochip:mini-laboratori delle dimensioni di un'unghia in dispositivi analitici mobili potrebbero testare una goccia di sangue per più malattie contemporaneamente o facilitare analisi ambientali complete con pochissimo materiale campione.

La nostra comprensione dei processi vitali fondamentali è stata resa possibile per la prima volta dalla conoscenza di come le singole biomolecole interagiscono tra loro. Nelle cellule, nanomacchine come ribosomi e DNA polimerasi uniscono insieme singole molecole per formare strutture biologiche complesse come proteine ​​e molecole di DNA, i depositi di informazioni genetiche. Sebbene sia possibile studiare l'interazione di singole molecole con enzimi o ribosomi, le molecole devono spesso essere etichettate, ad esempio con pennarelli fluorescenti, per osservarli. Però, tale etichettatura è possibile solo con determinate molecole, e può interferire con la funzione delle nanomacchine biologiche. Sebbene la luce possa essere utilizzata per rilevare biomolecole non etichettate, l'approccio non può essere utilizzato per rilevare singole molecole di DNA, poiché l'interazione delle onde luminose con la molecola è troppo debole.

Un team di fisici guidato da Frank Vollmer del Laboratory for Nanophotonics and Biosensors presso il Max Planck Institute for the Science of Light è ora riuscito ad amplificare l'interazione della luce con le molecole di DNA nella misura in cui il loro biosensore fotonico può essere utilizzato per osservare singoli Molecole non marcate e loro interazioni.

Una microsfera diventa una galleria ottica sussurrante

Per realizzare questo, i fisici usano perle di vetro di circa 60 micrometri di diametro, circa lo spessore di un capello umano, e nanofili d'oro ca. 12 nanometri di diametro e 42 nanometri di lunghezza. Il filo d'oro è quindi solo circa un decimillesimo dello spessore di un capello. La microsfera e il nanofilo amplificano l'interazione tra luce e molecole. Con l'aiuto di un prisma, i ricercatori puntano la luce laser nella microsfera. La luce viene riflessa ripetutamente sulla superficie interna della sfera fino a quando, in definitiva, si propaga lungo la superficie interna, simile al modo in cui le onde sonore viaggiano lungo le pareti di un recinto circolare o di una galleria sussurrante:quando qualcuno sussurra a un'estremità della galleria a cupola o a volta, una persona all'estremità opposta può sentirlo dall'altra parte, anche su una distanza insolitamente lunga. Questo perché le onde sonore non perdono intensità mentre viaggiano.

Se una molecola è fissata alla superficie della perla di vetro, il raggio di luce lo supera più di centomila volte. Poiché l'onda luminosa si estende sempre un po' al di fuori della microsfera, avviene un'interazione tra esso e la molecola. Questa interazione è notevolmente amplificata dal frequente contatto tra la luce e la molecola. Però, l'interazione è ancora troppo debole per registrare singole molecole.

Vollmer e i suoi colleghi fissano quindi un nanofilo sulla superficie della perla di vetro. La luce che sfreccia nel passato genera plasmoni:oscillazioni collettive di elettroni. "I plasmoni tirano l'onda luminosa un po' più fuori dalla microsfera di vetro, " spiega Vollmer. Questo amplifica l'intensità di campo dell'onda luminosa di un fattore superiore a mille. Il guadagno in segnale è quindi sufficiente per rilevare singole biomolecole, come frammenti di DNA. I ricercatori di Erlangen hanno fatto proprio questo. Hanno attaccato un frammento di DNA a singolo filamento, che si presenta sempre sotto forma di doppio filamento nel nucleo cellulare, al nanofilo montato sulla microsfera. Quando una corrispondenza, cioè complementare, Il frammento di DNA si lega all'"esca" sul nanofilo, la lunghezza d'onda della luce si sposta ed è amplificata dalla microsfera e dal nanofilo. Questo spostamento può essere misurato.

Diverse sezioni di filamento possono essere distinte in base al loro comportamento di legame

Però, the physicists used a shorter DNA fragment than is usual in similar procedures. Like a short piece of tape on a wall, short DNA fragments do not adhere strongly to each other, so that the strands separate again relatively quickly. Quindi, new fragments are able to bind repeatedly to the molecular "bait", including fragments that are not fully complementary. In questo modo, it is possible to investigate how long the DNA fragments interact with each other and how often the "bait" captures a segment. "This approach makes it possible to use a single DNA receptor and to follow its successive interactions with various DNA segments in the sample solution, " says Frank Vollmer. "Based on the duration and frequency of the measured interactions, it is then possible to detect specific unlabelled DNA molecules."

The researchers have tested their optical biosensor with a sample containing both an exactly matching DNA fragment and a fragment that was not perfectly complementary. They were able to distinguish the two fragments based on their different kinetics.

Even in nature, the bonds formed between molecules and nanomachines are fleeting. Thanks to the new method, it is now possible to explore such natural kinetics in greater detail, says Frank Vollmer. "Servono ulteriori ricerche, " says the physicist, who is looking forward to tackling future challenges.

The researchers in Erlangen are already planning future projects. "It's possible to observe, Per esempio, how an enzyme such as DNA polymerase synthesizes DNA, " explains Vollmer. The scientists would also like to integrate their photonic biodetector into optical microchips for use in clinical diagnostics.