Vorm en uitlijning zijn alles. Hoe stukjes ter grootte van een nanometer in elkaar passen in een hele structuur, bepaalt hoe goed een levende cel of een kunstmatig vervaardigd apparaat presteert. Een nieuwe methode om een ​​dergelijke structuur te helpen begrijpen en voorspellen is er gekomen met het succesvolle gebruik van een nieuwe beeldvormingstool.

Koppeling lasergestuurd, tweedimensionale fluorescentiebeeldvorming en krachtige computermodellering, een zeskoppig team - geleid door de scheikundige van de Universiteit van Oregon, Andrew H. Marcus en de scheikundige van de universiteit van Harvard, Alan Aspuru-Guzik, heeft de conformatie van zelf-geassembleerde porfyrinemoleculen in een biologisch membraan opgelost.

Porfyrinen zijn organische verbindingen die alomtegenwoordig zijn in levende wezens. Ze dragen mobiele elektrische ladingen die van molecuul naar molecuul kunnen springen en zorgen voor communicatie op nanoschaal en energieoverdracht. Het zijn ook bouwstenen in nanodevices.

De nieuwe techniek -- fasemodulatie 2D-fluorescentiespectroscopie -- wordt gedetailleerd beschreven in een paper dat deze week online zal verschijnen voorafgaand aan de reguliere publicatie in de Proceedings of the National Academy of Sciences. De doorbraak omzeilt de vaak noodzakelijke stap van het verkrijgen van kristallen van moleculen die worden bestudeerd, zei Marcus, een lid van het Oregon Center for Optics, Materials Science Institute en Instituut voor Moleculaire Biologie. De meeste functionele biologische moleculen vormen niet gemakkelijk kristallen.

"Onze techniek is een werkbare manier om te bepalen hoe macromoleculaire objecten assembleren en de structuren vormen die ze in biologische omgevingen zullen vormen, "Zei Marcus. "Het is robuust en zal een middel bieden om biologische eiwit-nucleïnezuur-interacties te bestuderen."

Er wordt al gewerkt aan het aanpassen van de experimentele instrumentatie in het stabiele en temperatuurgecontroleerde High Stability Optics Lab van de UO om het onderzoek op DNA-replicatiemachines toe te passen - een categorie van de bekendste macromoleculaire complexen, die bestaan ​​uit nucleïnezuren en eiwitten die goed moeten worden uitgelijnd om correct te kunnen functioneren. "Het is een strategie waarmee we twee dingen kunnen doen:bekijk deze complexen molecuul voor molecuul, en experimenten uit te voeren op korte ultraviolette golflengten om naar DNA-problemen te kijken, " hij zei.

In aanvulling, de benadering zou nuttig moeten zijn voor materiaalwetenschappers die ernaar streven de noodzakelijke conformatie van polymeren die worden gebruikt bij de productie van apparaten op nanoschaal, te begrijpen en te benutten. "In de biologie, grote moleculen assembleren tot zeer complexe structuren die allemaal samenwerken als een machine, "Zei Marcus. "De manier waarop deze structuren op nanoschaal worden gevormd en functioneel worden, is een actief nagestreefde vraag."

De techniek bouwt voort op eerdere versies van tweedimensionale (2D) optische spectroscopie die ontstonden in pogingen om de beperkingen te omzeilen die betrokken zijn bij het toepassen van röntgenkristallografie en nucleaire magnetische resonantie bij dergelijk onderzoek. De vorige 2D-benaderingen waren afhankelijk van de detectie van verzonden signalen, maar misten de gewenste gevoeligheid.

De nieuwe aanpak kan worden gecombineerd met fluorescentiemicroscopie met één molecuul om onderzoek op de kleinste schaal tot nu toe mogelijk te maken, zei Marcus. "Met fluorescentie, je kunt molecuul voor molecuul zien en meten wat er gebeurt. We verwachten dat deze benadering ons in staat zal stellen om naar individuele moleculaire assemblages te kijken."