Peng Zhang en zijn medewerkers bestuderen opmerkelijke, kleine zelf-assemblerende clusters van goud en eiwit die fel rood gloeien. En ze zijn nuttig:eiwit-gouden nanoclusters kunnen worden gebruikt om schadelijke metalen in water op te sporen of om kankercellen in het lichaam te identificeren.

"Deze structuren zijn erg opwindend, maar zijn erg, erg moeilijk om te studeren. We hebben veel verschillende tools geprobeerd, maar geen enkele werkte, " zegt Zhang, een professor aan de Dalhousie-universiteit.

Maar synchrotron röntgenabsorptiespectroscopie, of XAS, gedaan bij de Canadian Light Source en haar partnerfaciliteit CLS@APS, verschafte het nodige inzicht om de verrassend elegante structuur van de gloeiende eiwitgouden nanoclusters te identificeren.

"Synchrotron XAS is het perfecte hulpmiddel, omdat het zeer flexibel is, en kan u structurele informatie geven over specifieke elementen, " hij zegt.

De structuur van deze clusters was al lang een vraag in het veld, deels vanwege hun potentiële gebruik.

In het labortorium, onderzoekers hebben aangetoond dat het introduceren van andere metalen in de eiwitgoudoplossing de gedurfde gloed van de nanogold kan doven, een eigenschap die kan worden gebruikt om metaalvervuiling in rivieren en andere waterlichamen op te sporen. Waar metalen aanwezig waren in een watermonster, de nanogold zou stoppen met gloeien.

Nog spannender zijn de mogelijke gezondheidstoepassingen voor deze clusters.

Nanogold en eiwitten passen van nature bij gezondheidstechnologie, aangezien eiwitten een natuurlijk voorkomend onderdeel van het menselijk lichaam zijn, en goud is volledig niet-toxisch (daarom kan het worden gebruikt om chocolaatjes te versieren en is het te vinden in sommige soorten schnaps)

In combinatie met de juiste "detector" of "linker" eiwitten, gloeiend nanogold kan worden gebruikt om nauwkeurig te visualiseren, bijvoorbeeld, kankergezwellen. Het juiste linker-eiwit zou eenvoudig nanogolds aan zieke cellen hechten, die vervolgens met een fluorescentiemicroscoop kunnen worden gelokaliseerd.

Dit alles is mogelijk dankzij het vermogen van de nanogold om te gloeien.

Goud zoals we het gewoonlijk kennen, massaal, gloeit niet, of luminesceren, onder UV-licht. Voeg eiwit toe als basis voor gouden nanoclusters, en ze zullen felrood oplichten onder UV-licht. In feite, de nanogold is een miljoen keer meer lichtgevend dan bulk goud.

Deze goudluminescentie wordt mogelijk gemaakt door zijn specifieke structuur in eiwitgouden nanoclusters:wat Zhang beschrijft als een "prachtige en verrassende structuur" van tien goudatomen, vormen twee in elkaar grijpende ringen.

Het eiwit fungeert als een soort steiger, waardoor het goud een sterke structuur krijgt en de glans versterkt.

Deze clusters kunnen onder de juiste omstandigheden zelf assembleren, het aanbieden van een goedkope, energiezuinige productiemethode.

Een typische nanocluster wordt gemaakt met een precieze reeks chemicaliën die door specifieke stappen worden geleid, en kan leiden tot vervuiling. De productie voor deze clusters, daarentegen, eenvoudiger kan niet.

Zhang's team verwarmde een mengsel van een commerciële goudverbinding en eiwitten in water tot lichaamstemperatuur, 37C. En na 10-20 uur, de lichtgevende nanogold clusters gevormd. Er zijn geen andere stappen nodig om de lichtgevende clusters te creëren.

Het proces staat bekend als groene chemische synthese, en snijdt de vervuiling weg die anders zou kunnen worden geassocieerd met deze clusters.

"We hebben de synchrotron gebruikt om te volgen hoe deze prachtige structuren in het eiwit worden gevormd, ", zegt Zhang. Het eiwit werkt in wezen als een minireactor, met zijn cysteïne-aminozuren die zich verbinden met de goudmoleculen en ze in vorm trekken. Deze experimenten werden uitgevoerd door Daniel Chevrier, een doctoraat student in de Zhang's groep.

Het team creëerde ook meer conventionele clusters, om hun techniek te verifiëren.

"Als je geen eiwitten gebruikt, ja je krijgt een zeer vergelijkbare structuur, maar je ziet de sterke fluorescentie niet. Wat is er gebeurd?" vraagt ​​Zhang.

Om deze vraag te beantwoorden, zijn team vergeleek conventioneel geproduceerde en zelf-geassembleerde goudclusters, zowel met als zonder eiwitten.

Met behulp van de synchrotron, ze toonden aan dat het eiwit niet alleen zelfassemblage mogelijk maakt, maar houdt de clusters op hun plaats.

"In wezen bevriest het eiwit de gouden cluster, zodat ze niet vrij kunnen bewegen, en dan zie je de sterke fluorescentie, ", zegt Zhang. Een vrij bewegend cluster, daarentegen, draait en beweegt, wat de fluorescentie verzwakt.

"We zijn zo enthousiast over deze nieuwe bevindingen. Zowel goud als eiwit zijn zeer interessante materialen en als je deze twee combineert, krijg je iets dat nog interessanter is, en potentieel nuttig, " zegt Zhang.