Wetenschap
Wetenschappers ontwikkelen de meest gevoelige methode tot nu toe voor het observeren van afzonderlijke moleculen
Wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben de meest gevoelige methode tot nu toe ontwikkeld voor het detecteren en profileren van één enkel molecuul. Daarmee hebben ze een nieuw instrument ontsloten dat mogelijkheden biedt om beter te begrijpen hoe de bouwstenen van materie met elkaar interacteren. De nieuwe methode zou implicaties kunnen hebben voor uiteenlopende activiteiten, zoals de ontdekking van geneesmiddelen en de ontwikkeling van geavanceerde materialen.
De technische prestatie, deze maand beschreven in het tijdschrift Nature , markeert een aanzienlijke vooruitgang in het snelgroeiende veld van het observeren van individuele moleculen zonder de hulp van fluorescerende labels.
Hoewel deze labels in veel toepassingen nuttig zijn, veranderen ze moleculen op manieren die de manier waarop ze op natuurlijke wijze met elkaar omgaan, kunnen verdoezelen. Door de nieuwe labelvrije methode zijn de moleculen zo gemakkelijk te detecteren dat het bijna lijkt alsof ze labels hebben.
"We zijn hier erg enthousiast over", zegt Randall Goldsmith, een hoogleraar scheikunde aan de UW-Madison die het werk leidde. "Het vastleggen van gedrag op het niveau van afzonderlijke moleculen is een verbazingwekkend informatieve manier om complexe systemen te begrijpen, en als je nieuwe tools kunt bouwen die betere toegang tot dat perspectief bieden, kunnen die tools echt krachtig zijn."
Hoewel onderzoekers nuttige informatie kunnen verzamelen door materialen en biologische systemen op grotere schaal te bestuderen, zegt Goldsmith dat het observeren van het gedrag van en de interacties tussen individuele moleculen belangrijk is voor het contextualiseren van die informatie, wat soms tot nieuwe inzichten kan leiden.
"Als je ziet hoe landen met elkaar omgaan, komt het allemaal neer op interacties tussen individuen", zegt Goldsmith. "Je zou er niet eens aan denken om te begrijpen hoe groepen mensen met elkaar omgaan, terwijl je negeert hoe individuen met elkaar omgaan."
Goldsmith achtervolgt de aantrekkingskracht van afzonderlijke moleculen sinds hij meer dan tien jaar geleden postdoctoraal onderzoeker was aan Stanford University. Daar werkte hij onder de chemicus W.E. Moerner, die in 2014 de Nobelprijs voor de Scheikunde ontving voor het ontwikkelen van de eerste methode om licht te gebruiken om één enkel molecuul waar te nemen.
Sinds het aanvankelijke succes van Moerner hebben onderzoekers over de hele wereld nieuwe manieren bedacht en verfijnd om deze kleine stukjes materie waar te nemen.
De methode die het UW-Madison-team heeft ontwikkeld, is gebaseerd op een apparaat dat een optische microresonator of microcaviteit wordt genoemd. Zoals de naam al doet vermoeden, is de microholte een uiterst kleine ruimte waar licht zowel in de ruimte als in de tijd kan worden opgesloten (althans voor een paar nanoseconden), waar het kan interageren met een molecuul.
Microholtes worden vaker aangetroffen in natuurkunde- of elektrotechnische laboratoria, niet in scheikundige laboratoria. Goldsmiths geschiedenis van het combineren van concepten uit verschillende wetenschappelijke velden werd in 2022 erkend met een Polymath-prijs van Schmidt Futures.
Microcaviteiten zijn opgebouwd uit ongelooflijk kleine spiegels die bovenop een glasvezelkabel zijn aangebracht. Deze glasvezelspiegels kaatsen het licht vele malen zeer snel heen en weer binnen de microholte.
De onderzoekers laten moleculen in de holte tuimelen, laten het licht erdoorheen en kunnen niet alleen de aanwezigheid van het molecuul detecteren, maar er ook informatie over leren, zoals hoe snel het door water beweegt. Deze informatie kan worden gebruikt om de vorm of conformatie van het molecuul te bepalen.
"Conformatie op moleculair niveau is ongelooflijk belangrijk, vooral als je nadenkt over de manier waarop biomoleculen met elkaar omgaan", zegt Goldsmith.
"Stel dat je een eiwit hebt en je hebt een medicijn met een klein molecuul. Je wilt zien of het eiwit medicijnbaar is, dat wil zeggen:'Heeft het medicijn een belangrijke interactie met het eiwit?' Eén manier waarop je dat kunt zien is als het een conformationele verandering introduceert."
Er zijn andere manieren om dat te doen, maar die vergen grote hoeveelheden monstermateriaal en tijdrovende analyses. Met de nieuw ontwikkelde microcaviteitstechniek zegt Goldsmith:"We kunnen mogelijk een black-box-tool bouwen die ons binnen tientallen seconden het antwoord kan geven."
Het team, waartoe ook Lisa-Maria Needham behoorde, een voormalig postdoctoraal onderzoeker en nu laboratoriumdirecteur aan de Universiteit van Cambridge, heeft patent aangevraagd op het apparaat. Goldsmith zegt dat het apparaat en de methoden de komende jaren zullen worden verfijnd. In de tussentijd zegt hij dat hij en zijn medewerkers al nadenken over de vele manieren waarop het nuttig zou kunnen zijn.
"We zijn enthousiast over veel andere toepassingen in de spectroscopie", zegt hij. "We hopen dat we dit kunnen gebruiken als opstapje naar andere manieren om over moleculen te leren."