Wetenschappers van de Universiteit van Oxford hebben een op licht gebaseerde meettechniek ontwikkeld die ons vermogen om biomoleculen te karakteriseren zou kunnen transformeren.

Met behulp van een microscoop die lichtverstrooiing detecteert in plaats van fluorescentie, de onderzoekers hebben aangetoond dat afzonderlijke moleculen kunnen worden waargenomen, en hun massa gemeten, in oplossing.

Het onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met instellingen in Duitsland, Zweden, Zwitserland en de VS, wordt gerapporteerd in het journaal Wetenschap .

Senior auteur professor Philipp Kukura, van de scheikunde van Oxford, zei:'Dit onderzoek is voortgekomen uit een decennium van werk waarbij een steeds gevoeligere lichtmicroscoop werd gemaakt.

'Sinds het einde van de jaren tachtig worden in lichtmicroscopen enkelvoudige moleculen waargenomen, maar in wezen zijn alle optische technieken afhankelijk van fluorescentie, dat is de emissie van licht door een materiaal nadat het is "opgewonden" door de absorptie van elektromagnetische straling. Hoe immens krachtig dat ook is, het is niet universeel.'

De onderzoekers demonstreerden in 2014 voor het eerst het gebruik van lichtverstrooiing om individuele eiwitten – biomoleculen met een diameter van slechts enkele nanometers – te visualiseren. Maar pas vorig jaar waren ze in staat om de beeldkwaliteit voldoende te verbeteren om te concurreren met fluorescentie.

Professor Kukura zei:'We hebben toen de vraag gesteld of we onze visualisatiebenadering konden gebruiken om te kwantificeren, in plaats van alleen te detecteren, enkele moleculen. We realiseerden ons, gezien het feit dat het volume en de optische eigenschappen van biomoleculen direct schalen met massa, dat onze microscoop massagevoelig zou moeten zijn. Dit bleek inderdaad het geval te zijn, niet alleen voor eiwitten, maar ook voor moleculen die lipiden en koolhydraten bevatten.'

Het is deze algemeenheid die de auteurs opwindt. Professor Justin Benesch van de afdeling Chemie van Oxford, een expert in massameting en co-auteur van het werk, zei:'Het mooie van massa is dat het zowel een universele eigenschap van materie is als extreem diagnostisch voor het onderzochte molecuul. Onze aanpak is dan ook breed toepasbaar en, in tegenstelling tot traditionele microscopie met één molecuul, vertrouwt niet op het toevoegen van labels om moleculen zichtbaar te maken.'

De onderzoekers zeggen dat de techniek - die ze interferometrische verstrooiingsmassaspectrometrie (iSCAMS) noemen - toepassingen zou kunnen hebben die variëren van studies van eiwit-eiwitinteracties tot het ontdekken van geneesmiddelen en zelfs point-of-care-diagnostiek.

Professor Kukura zei:'iSCAMS heeft veel voordelen. Het meet massa met een nauwkeurigheid die dicht bij die van de modernste massaspectrometrie ligt, dat is duur en werkt in vacuüm - niet per se representatief voor biologische systemen - terwijl iSCAMS dat doet met slechts een heel klein monstervolume en in vrijwel elke waterige omgeving werkt.'

Professor Benesch voegde toe:'Dit maakt veel van de dingen mogelijk die onderzoekers willen kwantificeren:interageren bepaalde moleculen en, zo ja, hoe strak? Wat is de samenstelling van het eiwit in termen van hoeveel stukjes het bevat, en hoe groeit of valt het uit elkaar?'

Omdat in wezen elk fysiologisch en pathologisch proces wordt gecontroleerd door biomoleculaire interacties in oplossing, de onderzoekers zeggen dat deze technologie een aanzienlijke potentiële impact heeft. Professor Kukura zei:'De universele toepasbaarheid, gecombineerd met het feit dat de instrumenten bijna schoenendoosformaat hebben, kan eenvoudig worden bediend, en laat de gebruiker de moleculen in realtime zien, is enorm spannend.'

Het team is bezig met het commercialiseren van de technologie om toegang te bieden aan andere onderzoekers die geen experts zijn of misschien zelfs geen optische microscopie gebruiken. De onderzoekers zeggen:'Het heeft de potentie, we denken, om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we biomoleculen en hun interacties bestuderen.'

Het artikel 'Kwantitatieve massabeeldvorming van enkele biologische macromoleculen' zal worden gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .