Gouden nanodeeltjes geven ons een beter begrip van enzymen en andere moleculen. Biswajit Pradhan, doctoraat kandidaat bij het Leids Instituut voor Natuurkunde, gebruikt gouden nanostaafjes om individuele moleculen te bestuderen die anders moeilijk te detecteren zouden zijn. De resulterende kennis kan worden toegepast op vele onderzoeksgebieden, zoals het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen en fototherapie van kanker.

Organismen gedijen op tientallen biomoleculaire activiteiten, waarbij enzym een ​​belangrijke rol speelt. Bijvoorbeeld, ze helpen zetmeel af te breken tot kleinere suikers. Andere enzymen spelen een belangrijke rol bij het afbreken van eiwitten. Om deze activiteiten beter te begrijpen, wetenschappers gebruiken verschillende technieken om de betrokken moleculen zichtbaar te maken. Fluorescentiemicroscopie is een van de veelgebruikte technieken hiervoor.

Het probleem waarmee wetenschappers soms worden geconfronteerd, is dat sommige moleculen niet kunnen worden gedetecteerd omdat ze geen licht uitstralen. Daarom, Pradhan werkte aan een oplossing. "Ik heb enkele moleculen bevestigd aan gouden nanostaafjes. De nanostaafjes werken als zeer kleine antennes door licht uit te zenden, het versterken van de fluorescentie van het aangehechte molecuul. Dit stelt ons in staat om afzonderlijke eiwitten of andere complexen te bestuderen die anders niet detecteerbaar zijn door fluorescentie."

Pradhan gebruikte de gouden nanostaafjes om enzymatische activiteit in azurine te bestuderen. Dit enzym zit in bacteriën, een rol spelen bij denitrificatie. In dit proces, bacteriën maken stikstof uit nitraat. Het is algemeen aanvaard dat de activiteit van de enzymen die bij dit proces betrokken zijn, onveranderlijk blijft over kleine tijdschalen. Echter, Pradhan ontdekte iets anders.

"We ontdekten dat azurine binnen enkele seconden luie en drukke perioden in zijn activiteit vertoont. Net als andere enzymen, azurine zet substraat om in product. Tijdens de drukke periodes, het enzym vormt vaak producten, maar minder vaak in luie perioden. Azurin verandert zijn activiteit door zijn structurele opstelling te veranderen. Een dergelijke flexibiliteit in structuur zou de reden kunnen zijn voor de vorming van efficiënte enzymen tijdens de evolutie."

Azurine brengt elektronen over tussen eiwitten. Daarom, het kan worden gebruikt als een sensor voor het meten van redox-potentiaal in een levende cel. Pradhan legt uit:"Energieoverdracht binnen levende cellen vindt plaats via overdracht van elektronen van het ene biomolecuul naar het andere. Voor elektriciteit thuis, elektronen stromen van een hoog potentiaaleinde naar een laag potentiaaleinde. evenzo, in cellen, elektronenoverdracht vindt plaats van een eiwit naar een ander eiwit in de cel met een laag potentieel. De redoxpotentiaal wordt gedefinieerd als de neiging van de omgeving van het eiwit om een ​​elektron af te staan ​​of te accepteren."

Pradhan ontwikkelde een methode om een ​​enkele azurine in actie te observeren terwijl elektronenoverdracht plaatsvindt. "De snelheid waarmee het elektron uitwerpt en accepteert, geeft een directe schatting van het omringende potentieel. Hoewel we geen sensor hebben gemaakt, Ik heb de elektronenoverdrachtseigenschappen van azurine gekarakteriseerd in mijn proefschrift."

In een ander experiment, Pradhan gebruikte DNA als hulpmiddel om de positie van afzonderlijke moleculen in de buurt van de gouden nanostaaf zeer nauwkeurig te controleren. "Als het aantal bouwstenen van een DNA-streng op elke streng minder dan 50 is, dan zal het dubbelstrengs DNA zich gedragen als een rechte staaf zonder flexibiliteit. Stel je een touw voor van enkele centimeters lang; je zult het altijd recht vinden. Als je de lengte van het touw vergroot, begint het te buigen en te draaien. Deze minimale lengte waarboven een touw of touw begint te buigen, wordt persistentielengte genoemd."

In zijn experiment Pradhan bevestigde permanent een kort enkelstrengs DNA aan de punt van een gouden nanostaafje. Daarna liet hij complementaire DNA-strengen eromheen diffunderen. "Elke complementaire streng bevat het enkele molecuul dat we willen onderzoeken. Vanwege de zwakke binding van de korte DNA-strengen, de bindtijd is kort. Elke complementaire streng bindt tijdelijk en wordt dan vervangen door een nieuwe complementaire streng. Hierdoor konden we afzonderlijke moleculen op dezelfde nano-antenne bestuderen. Deze techniek kan op veel onderzoeksgebieden worden toegepast, zoals het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen en fototherapie van kanker."

Op 3 april 2018 verdedigt Biswajit Pradhan zijn proefschrift, "Fluorescentie van enkele koperproteïnen:dynamische stoornis en verbetering door een gouden nanostaafje."