I fisici dell’Istituto Max Planck per la Scienza della Luce (MPL) sono ora riusciti a sviluppare ulteriormente una struttura fotonica conosciuta dall’ottica quantistica – l’antenna ottica planare – da utilizzare in mezzi acquosi per monitorare i processi dinamici. Ciò consente di osservare i cambiamenti conformazionali delle singole biomolecole con la massima risoluzione temporale.

Per ottenere questa risoluzione, la cosiddetta "antenna optofluidica" raccoglie i fotoni emessi dalle singole molecole fluorescenti con un'efficienza di circa l'85%. Con un’efficienza così elevata, i ricercatori sono in grado di ottenere una risoluzione temporale nell’ordine dei microsecondi. Il dispositivo può essere facilmente integrato in molte configurazioni di microscopia esistenti e aggiunge un altro strumento che fornisce un'elevata risoluzione temporale in laboratorio.

Lo studio delle complesse dinamiche interne delle biomolecole in un ambiente liquido con risoluzione di singole molecole è di grande interesse per le scienze della vita.

Le misurazioni della fluorescenza rappresentano attualmente la tecnica fondamentale per decifrare i processi dinamici veloci e lenti. Qui, sezioni speciali delle biomolecole sono contrassegnate con molecole di colorante fluorescente. Quando eccitati con la luce laser, i cambiamenti nella loro posizione reciproca vengono rilevati misurando i fotoni emessi. Tuttavia, la metodologia di raccolta limita il numero di fotoni di fluorescenza che possono essere registrati per intervallo di tempo, limitando così la risoluzione temporale.

Nell'opera, pubblicata su Nature Communications , il team guidato dal professor Stephan Götzinger e dal professor Vahid Sandoghdar mostra un metodo di misurazione completamente nuovo ed altamente efficiente basato su strutture conosciute dall'ottica quantistica allo stato solido.

I fisici hanno sviluppato il concetto di antenna ottica planare circa 10 anni fa e, a differenza delle antenne ottiche convenzionali, un'antenna planare può essere realizzata senza nanostrutture metalliche. Attraverso una modifica intelligente, le nuove antenne optofluidiche sono in grado di raccogliere i fotoni emessi da una singola biomolecola in soluzione con un'efficienza estremamente elevata (85%).

L'antenna è costituita da un substrato di vetro e da uno strato d'acqua spesso diverse centinaia di nanometri contenente le biomolecole da esaminare. Il sottile strato d'acqua viene creato da una micropipetta posizionata a poche centinaia di nanometri sopra il substrato. Applicando una pressione definita, viene controllata la forma del menisco dell'acqua nella pipetta.

Il confine assiale dello strato d'acqua costringe le molecole a diffondersi attraverso il centro del fuoco del laser e quindi aumenta la cosiddetta luminosità. L'antenna aumenta il segnale di fluorescenza delle molecole di circa cinque volte. Allo stesso tempo, l'interfaccia acqua-aria rallenta la diffusione delle molecole, mentre la geometria dell'antenna aumenta la probabilità che una molecola ritorni a fuoco.

Gli scienziati del MPL dimostrano le prestazioni dell'antenna optofluidica insieme al gruppo del professor Claus Seidel, Università di Düsseldorf, esaminando il cambiamento di conformità di un DNA appositamente predisposto:la giunzione a quattro vie del DNA.

Due dei rami della giunzione sono contrassegnati con una coppia di trasferimento di energia per risonanza Förster (FRET), dove il numero di fotoni emessi da ciascuno dei due partner FRET cambia con la distanza tra i due rami. Utilizzando le traiettorie FRET, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che un sospetto stato conformazionale non si verifica e di fornire un limite superiore per la sua durata. La nuova antenna è in grado di tracciare la dinamica dell'incrocio a quattro vie del DNA con una risoluzione temporale di pochi microsecondi.

"La nostra antenna optofluidica funziona così bene grazie alla migliore efficienza di raccolta dei fotoni da parte delle molecole che si diffondono più lentamente nel canale spazialmente limitato", afferma il professor Stephan Götzinger.

"L'antenna è un potente dispositivo per le indagini nelle scienze della vita. Non solo è facile da usare, ma può anche essere facilmente integrata in molte configurazioni di microscopia esistenti", aggiunge il professor Vahid Sandoghdar.