Het is altijd goed als je intuïtie blijkt te kloppen, maar wetenschappers van Rice University die eiwitten en deeltjes bestudeerden, hadden meer "gelijk" dan ze hadden verwacht.

Rijstchemici Christy Landes en Stephan Link en hoofdauteur en Smalley-Curl Postdoctoral Fellow Qingfeng Zhang rapporteerden deze week in Wetenschap dat runderserumalbumine (BSA), een standaard-issue-eiwit in nano-bio-lab-experimenten, is geneigd gouden nanostaafjes in rechtshandige chirale assemblages te duwen - terwijl ze chirale plasmonische signalen produceren die overeenkomen.

Het resultaat was een verrassing voor de onderzoekers die de mysterieuze interacties in mengsels van BSA en gouden nanostaafjes wilden ontwarren:de aggregatie van metalen nanodeeltjes tot chirale assemblages, eiwit chiraliteit, en de resulterende plasmonische eigenschappen. Licht triggert mengsels van deeltjes en eiwitten om gepolariseerd licht te verspreiden, maar tot nu toe wisten onderzoekers niet welke interacties in het mengsel verantwoordelijk waren voor het signaal en, het belangrijkst voor toekomstige detectietoepassingen, of ze konden worden verfijnd.

Het werk laat doorschemeren dat het mogelijk wordt om de handigheid te voelen, of chiraliteit, van enkele eiwitten, een potentiële zegen voor farmaceutische bedrijven die de zuiverheid van geneesmiddelen eisen. Een molecuul met de juiste chiraliteit kan een leven redden, terwijl hetzelfde molecuul met de tegenovergestelde chiraliteit zeer giftig kan zijn.

De Rice-experimenten onthulden chiraliteit op meerdere niveaus in de manier waarop BSA-eiwitten de 100 nanometer lange deeltjes ertoe aanzetten om uit te lijnen en in hoe de plasmonen van de deeltjes op licht reageerden in de aanwezigheid van de veel kleinere eiwitten. (Plasmons zijn resonerende elektronengolven die rimpelen langs het oppervlak van een metaaldeeltje wanneer ze worden geactiveerd door licht.)

De respons werd gemeten als circulair dichroïsme (CD), dat is een manier om te meten of de rotatie van het elektrische veld van een lichtgolf een preferentiële interactie heeft met materiaal in een richting met de klok mee (rechts) of tegen de klok in (links).

CD-signalen zijn meestal zwak, maar helpen nog steeds om de gemiddelde conformatie van eiwitensembles te karakteriseren. In de Rice-studie plasmonen fungeerden als antennes om CD te amplificeren van de aan het oppervlak geadsorbeerde chirale eiwitten, het signaal verschuiven van het ultraviolet naar het zichtbare, plasmon-gekoppelde-CD genoemd.

Link zei dat plasmon-gekoppelde CD eerder was waargenomen voor mengsels van enkele nanodeeltjes, aggregaten en chirale moleculen, maar geen enkele studie heeft tot nu toe onthuld of alle moleculen en nanodeeltjes in gelijke mate bijdroegen aan het signaal.

Dat doen ze in dit geval niet. Uit de studie bleek dat alleen geaggregeerde nanostaafjes-eiwitcomplexen een CD-signaal produceren, veroorzaakt door zowel eiwitten in de openingen tussen nanodeeltjes als door chirale nanodeeltjesassemblages.

Het was een complete verrassing, Landes zei, dat eiwitten de assemblage van chirale nanostaafjes zodanig stuurden dat de handigheid van de assemblage overeenkwam met de handigheid van de eiwitten. "We probeerden een hypothese te testen over de oorsprong van het chirale signaal dat andere mensen hebben gerapporteerd in studies van nanodeeltjes-ensembles, "zei ze. "Komt het van chirale nanostructuren? Komt het door het eiwit? En we ontdekten dat het beide is.

"In aanvulling, het eiwitbiomolecuul met een preferentiële handigheid induceert die handigheid in veel grotere nanostaafaggregaten, ' zei Landes. 'Dat was de ontdekking die we niet hadden verwacht.'

Link legde uit dat chiraliteit van nanostaafjes een kwestie van positionering is. "Twee loodrechte nanostaafjes zijn achiraal, "zei hij. "Als ze parallel zijn, ze zijn achiraal. Maar als ze onder andere hoeken zijn uitgelijnd, ze zijn chiraal. De moeilijkheid was om een ​​experiment te ontwerpen om te bepalen waar de CD vandaan komt als je mengsels van eiwitten hebt, nanostaafjes en achirale en chirale aggregaten."

Met behulp van een nieuwe techniek die is ontwikkeld in het Link-lab, genaamd single-particle circulaire differentiële verstrooiing (CDS) spectroscopie, de onderzoekers bevestigden dat alleen geaggregeerde nanorod-BSA-complexen chiraliteit vertoonden. Toen de aggregaten werden geëxciteerd met zichtbaar licht, het antenne-effect van de plasmonische hotspots versterkte de normaal zwakke chirale respons van eiwitten in de openingen tussen de deeltjes.

Sleutel tot hun succes, Landes zei, was een aangepast beeldvormingsprogramma van Rice afgestudeerde student en co-auteur Rashad Baiyasi waarmee ze afzonderlijke deeltjes en kleine aggregaten tussen de nanoschaalmonsters konden identificeren en vervolgens de spectroscopie konden relateren aan de hotspots en voorkeursvolgorde.

Lente sabbaticals voor zowel Landes als Link bleken ook een perfecte timing voor het project, toen ze de aandacht trokken van co-auteur Jennifer Dionne, directeur van het Stanford Photonics Research Center en een specialist in cryogene elektronenmicroscopie. Dionne toonde aan dat het bevriezen van de deeltjes-eiwitoplossingen de onderzoekers in staat zou stellen om direct te zien hoe de deeltjes in 3D zijn uitgelijnd.

Dat hielp elke onzekerheid weg te nemen dat het afvlakken van de chirale assemblages op een oppervlak het signaal veranderde.

In een ander experiment, de onderzoekers vervingen BSA door opgelost keukenzout om te zien hoe de deeltjes reageerden. Ze ontdekten dat de nanostaafjes zouden aggregeren, maar in een mengsel van achirale en chirale arrangementen met dezelfde hoeveelheid links- en rechtshandige soorten zonder een algemene voorkeurshandigheid, en dus zonder ensemble-cd-signaal. "Het bevestigde dat BSA de vorming van een zekere handigheid van nanostructuren vertekent, "Zei Link. "We weten nog steeds niet waarom of hoe algemeen dit fenomeen is."

Landes zei dat de onderzoekers "ongeveer 14 stappen" verwijderd zijn van het beoordelen van de chiraliteit van een enkel eiwit. Als dat al mogelijk is, ze zei dat de ontdekking van Rice de enige weg zou kunnen zijn naar labelvrije detectie van enkelvoudige eiwitconformaties. Dat is van onschatbare waarde voor farmaceutisch chemici die moeite hebben om batches eiwitten te maken met een bepaalde handigheid, een cruciale factor in het ontwerp van geneesmiddelen.

"De ultieme droom bestaat uit twee delen:een daarvan is dat we conformaties van afzonderlijke eiwitten dynamisch kunnen detecteren, en de andere is dat we het in levend weefsel kunnen doen, "Zei Landes. "Er is nooit een manier dat je (onzichtbaar) ultraviolet licht zou kunnen gebruiken om dat te doen. De enige manier om iets levends in beeld te brengen - een cel of een dier - zou zijn om dat licht naar het rood te verschuiven, zoals we hebben gedaan in deze experimenten."