Wetenschappers van het Laboratorium voor Attoseconde Natuurkunde hebben een unieke lasertechnologie ontwikkeld voor de analyse van de moleculaire samenstelling van biologische monsters. Het is in staat minimale variaties in de chemische samenstelling van organische systemen te detecteren.

Op biochemisch niveau is organismen kunnen worden gezien als complexe verzamelingen van vele soorten moleculen. In de loop van hun stofwisseling, biologische cellen synthetiseren chemische verbindingen en wijzigen deze op verschillende manieren. Veel van deze producten komen vrij in het intercellulaire medium en hopen zich op in lichaamsvloeistoffen, waaronder bloed. Een belangrijk doel van biomedisch onderzoek is te begrijpen wat deze immens complexe mengsels van moleculen ons kunnen vertellen over de toestand van het betreffende organisme. Alle gedifferentieerde celtypes dragen bij aan deze 'soep'. Maar precancereuze en kwaadaardige cellen voegen hun eigen specifieke moleculaire markers toe - en deze geven de eerste indicaties van de aanwezigheid van tumorcellen in het lichaam.

Tot dusver, echter, zeer weinig van deze indicatormoleculen zijn geïdentificeerd, en de bekende verschijnen in minuscule hoeveelheden in biologische monsters. Dit maakt ze extreem moeilijk te detecteren. Onderzoekers gaan ervan uit dat veel van de meest informatieve moleculaire kenmerken bestaan ​​uit combinaties van verbindingen die behoren tot alle verschillende soorten moleculen die in cellen worden aangetroffen:eiwitten, suikers, vetten en hun diverse derivaten. Om ze te definiëren, onderzoekers hebben één enkele analytische methode nodig die veelzijdig en gevoelig genoeg is om hun niveaus te detecteren en te meten.

Een interdisciplinair team onder leiding van prof. Ferenc Krausz heeft nu een nieuw lasergebaseerd systeem gebouwd dat speciaal voor dit doel is ontworpen. De groep is gevestigd in het Laboratorium voor Attoseconde Natuurkunde (LAP), die gezamenlijk wordt beheerd door Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München en het Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ), en het omvat natuurkundigen, biologen en datawetenschappers. Met dit systeem kunnen onderzoekers chemische vingerafdrukken verkrijgen in de vorm van infraroodspectra die de moleculaire samenstellingen van allerlei soorten monsters onthullen, inclusief monsters van biologische oorsprong. De techniek biedt een ongekende gevoeligheid en kan worden gebruikt voor alle bekende klassen van biomoleculen.

De nieuwe laserspectrometer bouwt voort op technologieën die oorspronkelijk in het LAP zijn ontwikkeld voor de productie van ultrakorte laserpulsen, die worden gebruikt om de ultrasnelle dynamiek van subatomaire systemen te bestuderen. Het instrument, die werd gebouwd door natuurkundige Ioachim Pupeza en zijn collega's, is ontworpen om extreem krachtige pulsen van laserlicht uit te zenden die een breed segment van het spectrum in de infrarode golflengte bestrijken. Elk van deze pulsen duurt enkele femtoseconden (in wetenschappelijke notatie 1 fs =10 ^-15 s, een miljoenste van een miljardste van een seconde). Deze extreem korte flitsen van infrarood licht zorgen ervoor dat de bindingen die atomen met elkaar verbinden, trillen. Het effect is analoog aan het slaan op een stemvork. Na het passeren van de puls, de trillende moleculen zenden coherent licht uit op zeer karakteristieke golflengten of, gelijkwaardig, oscillatie frequenties. De nieuwe technologie maakt het mogelijk om het volledige ensemble van uitgezonden golflengten vast te leggen. Omdat elke afzonderlijke verbinding in het monster op een specifieke reeks frequenties trilt, het draagt ​​zijn eigen goed gedefinieerde 'subspectrum' bij aan de emissie. Geen enkele moleculaire soort heeft zich ergens te verbergen.

"Met deze laser we kunnen een breed scala aan infraroodgolflengten dekken - van 6 tot 12 micrometer - die trillingen in moleculen stimuleren, " zegt Marinus Huber, gezamenlijke eerste auteur van de studie en lid van de groep van bioloog Mihaela Zigman, die ook betrokken was bij de experimenten die in het LAP werden uitgevoerd. "In tegenstelling tot massaspectroscopie, deze methode geeft toegang tot alle soorten moleculen die in biologische monsters worden gevonden, " ze legt uit.

Elk van de ultrakorte laserpulsen die worden gebruikt om de moleculen te exciteren, bestaat uit slechts enkele oscillaties van het optische veld. Bovendien, de spectrale helderheid van de puls (d.w.z. de fotondichtheid) is tot twee keer zo hoog als die gegenereerd door conventionele synchrotrons, die tot nu toe hebben gediend als stralingsbronnen voor vergelijkbare benaderingen van moleculaire spectroscopie. In aanvulling, de infraroodstraling is zowel ruimtelijk als tijdelijk coherent. Al deze fysieke parameters samen zijn verantwoordelijk voor de extreem hoge gevoeligheid van het nieuwe lasersysteem, waardoor moleculen die in zeer lage concentraties aanwezig zijn, kunnen worden gedetecteerd en zeer nauwkeurige moleculaire vingerafdrukken kunnen worden geproduceerd.

Aanvullend, monsters van levend weefsel tot 0,1 mm dik kunnen nu worden belicht met infrarood licht en geanalyseerd met een ongeëvenaarde gevoeligheid. In de eerste experimenten, het team van het LAP paste de techniek toe op bladeren en andere levende cellen, evenals bloedmonsters. "Dit vermogen om variaties in de moleculaire samenstelling van lichaamsvloeistoffen nauwkeurig te meten, opent nieuwe mogelijkheden in biologie en geneeskunde, en in de toekomst zou de techniek toepassing kunnen vinden bij de vroege opsporing van aandoeningen, ' zegt Zigman.