Vaak beschouwd als de werkpaarden van het lichaam, eiwitten behoren tot de belangrijkste biomoleculen die cruciaal zijn voor levensprocessen. Ze bieden een structurele basis voor cellen en weefsels en voeren een duizelingwekkend scala aan taken uit, van het metaboliseren van energie en het helpen van cellen om met elkaar te communiceren tot het verdedigen van het lichaam tegen ziekteverwekkers en het sturen van celdeling en groei.

Omdat eiwitdisfunctie betrokken is bij zoveel ernstige ziekten, eiwitten zijn de primaire doelen voor de meeste therapeutische geneesmiddelen.

In een nieuwe studie, Shaopeng Wang en zijn collega's beschrijven een methode om eiwitten tot in detail te onderzoeken. Om dit te doen, zijn groep maakt slim gebruik van een fenomeen dat bekend staat als oppervlakteplasmonresonantie (SPR), door het op te nemen in een innovatief type microscoop.

Hoewel SPR een krachtige techniek is geweest om de wereld van de allerkleinsten te onderzoeken, inclusief de interacties van bacteriën en virussen, de studie markeert de eerste keer dat SPR met succes is gebruikt om afzonderlijke moleculen in beeld te brengen, in dit geval, eiwitten. De nieuwe methode staat bekend als plasmonverstrooiingsmicroscopie.

Volgens Wang:"De race om deze technologie te ontwikkelen begon eigenlijk 20 jaar geleden." Samen met hoofdauteur NJ Tao berekende de groep dat een gemodificeerde vorm van SPR de gevoeligheid zou moeten hebben om afzonderlijke eiwitten op te lossen, hoewel er veel voorbereidend werk nodig was om dit te realiseren.

Wang is onderzoeker in het Biodesign Center for Bioelectronics and Biosensors. Het nieuwe onderzoek verschijnt in de geavanceerde online toevoeging van het tijdschrift Natuurmethoden . Pengfei Zhang, een postdoc in het centrum, is de hoofdauteur van het artikel.

Door SPR te gebruiken, kunnen onderzoekers de dynamiek van celoppervlakte-eiwitten onderzoeken - primaire doelen voor het ontwerpen van geneesmiddelen - die bijzonder uitdagend zijn om te observeren met behulp van röntgenkristallografie of NMR-spectroscopie, de twee conventionele technieken die gewoonlijk worden toegepast om eiwitten te karakteriseren.

Maar wat is een oppervlakteplasmon? "Een eigenschap van metaal is dat je veel vrije elektronen hebt, "Wan zegt, verwijst naar elektronen die niet aan atomen zijn gebonden. "Als de toestand van invallend licht op deze elektronen precies goed is, de energie in het licht zorgt ervoor dat deze elektronen gaan resoneren. Deze oscillerende elektronen produceren een golf over het metalen oppervlak. Dit is oppervlakteplasmonresonantie."

Om de binding van een analytmolecuul (zoals een eiwit) aan een receptormolecuul te detecteren met behulp van SPR, het receptormolecuul wordt gewoonlijk geïmmobiliseerd op het sensoroppervlak en het analytmolecuul wordt toegevoegd aan een waterige oplossing. Gepolariseerd licht wordt meestal onder het oppervlak van een dunne gouden film gericht, waar oppervlakteplasmonen worden gegenereerd onder een bepaalde hoek van het invallende licht. De oppervlaktebeperking van licht door het oppervlakteplasmon wordt gezien als een afname van de intensiteit van gereflecteerd licht.

Wanneer eiwitmoleculen binden aan geïmmobiliseerde receptormoleculen, de brekingsindex aan het gouden oppervlak verandert, het veranderen van de oppervlakteplasmonresonantieconditie en het produceren van een toename van de signaalintensiteit.

Om het systeem te verfijnen en te kalibreren, de onderzoekers observeerden voor het eerst bindingsgebeurtenissen met behulp van polystyreen nanodeeltjes, waarvan de grootte nauwkeurig kan worden gecontroleerd. De nanodeeltjes hebben ook het voordeel dat ze een hoger contrast produceren, helpen hun detectie door SPR. Door steeds kleinere nanodeeltjes te gebruiken, kon de groep de kleine afmetingen van een biologisch eiwit bereiken.

Om zo'n indrukwekkende resolutie te bereiken, gebruikten de onderzoekers een variant van de SPR-techniek, het detecteren van licht op de eiwitbindingsgebeurtenissen van bovenaf, in plaats van hieronder, die achtergrondgeluid drastisch elimineert, het produceren van een scherp beeld. Omdat gebonden eiwitten het SPR-licht in alle richtingen verstrooien, detectie vanaf de bovenkant vermijdt het gereflecteerde licht, sterk verbeterde beeldkwaliteit.

Wang vergelijkt het effect met het zien van sterren tegen het achtergrondgordijn van duisternis, terwijl sterren onzichtbaar zijn voor het oog tegen de luidruchtige achtergrond van daglicht. Detectie van afzonderlijke eiwitten kan worden gerealiseerd zonder een zeer krachtige lichtbron, aangezien SPR een sterke verbetering van het lichtveld nabij het sensoroppervlak produceert, verduidelijking van het eiwitsignaal.

Door in te gaan op eiwitbindingsaffiniteit, een van de belangrijkste parameters die cruciaal zijn voor het ontwerp van veiliger, effectievere medicijnen, de nieuwe SPR-techniek zou een mooie toekomst moeten hebben in de biomedische arena en een nieuw licht moeten werpen op fundamentele kwesties op moleculaire schaal.