Voor de eerste keer, wetenschappers hebben de effectieve elektrische lading van een enkel molecuul in oplossing nauwkeurig gemeten. Dit fundamentele inzicht van een SNSF-hoogleraar zou ook de weg kunnen banen voor toekomstige medische diagnostiek.

Elektrische lading is een van de belangrijkste eigenschappen waardoor moleculen kunnen interageren. Het leven zelf hangt af van dit fenomeen:veel biologische processen hebben betrekking op interacties tussen moleculen zoals eiwitten, waar hun lading een essentiële rol speelt. Nog, de lading van een eiwit in een waterige omgeving - zijn natuurlijke context in een levend organisme - is moeilijk nauwkeurig te bepalen met behulp van traditionele benaderingen.

Madhavi Krishnan, die een SNSF-hoogleraarschap bekleedt aan de Universiteit van Zürich, heeft een methode ontwikkeld om de lading van een enkel molecuul in oplossing nauwkeurig te meten. Haar opmars werd beschreven in een reeks artikelen in Natuur Nanotechnologie , Fysieke beoordeling E en de Tijdschrift voor Chemische Fysica . Deze ontdekking zou de weg kunnen banen naar nieuwe diagnostische hulpmiddelen sinds, op chemisch vlak, veel ziekten zijn gekoppeld aan een verschuiving in de elektrische lading van een eiwit, waardoor het molecuul niet werkt zoals het zou moeten.

De elektrische lading van een molecuul kan heel verschillend zijn in de gasfase en in oplossing. De reden voor dit verschil ligt in complexe interacties tussen het object en de omringende vloeistof. Vandaar, standaard gasfasemetingen geven niet direct informatie over het gedrag van het molecuul in zijn biologische context.

"Als kinderen die tegen een bal trappen"

Moleculen in oplossing zijn constant in beweging, elkaar willekeurig schoppen. Krishnan en Ph.D. student Francesca Ruggeri profiteerde van dit bekende fenomeen, zogenaamde Brownse beweging, om de effectieve lading van een molecuul direct in oplossing te meten.

Eerst, ze vingen het molecuul op in een "potentiële bron". In plaats van een echte put, dit is een situatie waarin de potentiële energie van het molecuul minimaal is. In zo een situatie, stuiterende watermoleculen proberen continu het molecuul uit de put te verdrijven.

"Het is als kinderen die met een bal op de bodem van een put spelen, " legt Krishnan uit. "De bal is het molecuul waarin we geïnteresseerd zijn, en de kinderen zijn de watermoleculen. De bal zou een behoorlijk harde trap moeten krijgen om de pits uit te vliegen."

Hoe hoger de effectieve lading van het molecuul, hoe groter de diepte van de potentiaalput en, bijgevolg, hoe kleiner de kans dat het molecuul uit de put wordt geworpen. In praktijk, dit betekent dat de tijd die nodig is om het molecuul uit de put te schoppen direct gerelateerd is aan zijn effectieve lading.

"Uiteindelijk komt het neer op een statistisch principe, ", legt Krishnan uit. "Als we weten hoe lang een molecuul in de put blijft zitten, we weten precies hoe diep de put is. En aangezien deze diepte direct afhangt van de effectieve lading van het molecuul, die waarde kunnen we ook heel precies afleiden."

Twee glasplaten

Om een ​​potentiaalput te creëren, wetenschappers hebben een oplossing met de eiwitten tussen twee glasplaten gecomprimeerd, een ervan is bedekt met microscopisch kleine gaatjes. Moleculen gevangen in potentiële putjes werden gelabeld met fluorescerende middelen, waardoor ze konden worden gevolgd met een optische microscoop.

Hoewel de ontdekking belangrijke fundamentele implicaties heeft, het zou ook de weg kunnen banen naar nieuwe diagnostische hulpmiddelen voor veel ziekten die worden veroorzaakt door misvormde eiwitten, zoals Alzheimer en kanker. "We weten dat de 3D-conformatie van een eiwit zijn effectieve lading beïnvloedt, en ons werk zou een nieuwe route kunnen bieden voor het detecteren van defecte eiwitten."