Het hart van het immuunsysteem dat ons lichaam beschermt tegen ziekten en vreemde indringers, is een enorm en complex communicatienetwerk met miljoenen cellen, het verzenden en ontvangen van chemische signalen die leven of dood kunnen betekenen. De kern van dit enorme cellulaire signaleringsnetwerk wordt gevormd door interacties tussen miljarden eiwitten en andere biomoleculen. Deze interacties, beurtelings, worden sterk beïnvloed door de ruimtelijke patronen van signaal- en receptormoleculen. Het vermogen om signalerende ruimtelijke patronen in het immuunsysteem en andere cellulaire systemen waar te nemen terwijl ze evolueren, en om de impact op moleculaire interacties te bestuderen en, uiteindelijk, cellulaire communicatie, zou een cruciaal instrument zijn in de strijd tegen immunologische en andere aandoeningen die leiden tot een breed scala aan gezondheidsproblemen, waaronder kanker. Zo'n tool is nu binnen handbereik.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en Berkeley van de University of California (UC), hebben de eerste praktische toepassing van optische nanoantennes in de celmembraanbiologie ontwikkeld. Een wetenschappelijk team onder leiding van chemicus Jay Groves heeft een techniek ontwikkeld om kunstmatige lipidemembranen te rijgen met miljarden gouden "vlinderdas"-nanoantennes. Door het fenomeen dat bekend staat als "plasmonica, "Deze nanoantennes kunnen de intensiteit van een fluorescerend of optisch Raman-signaal van een eiwit dat door een plasmonische "hot-spot" gaat, tienduizenden keren verhogen zonder dat het eiwit ooit wordt aangeraakt.

"Onze techniek is minimaal invasief omdat verbetering van optische signalen wordt bereikt zonder dat de moleculen direct in wisselwerking staan ​​met de nanoantenne, Groves zegt. "Dit is een belangrijke verbetering ten opzichte van methoden die berusten op adsorptie van moleculen rechtstreeks op antennes waar hun structuur, oriëntatie, en gedrag kan allemaal worden veranderd."

Groves heeft gezamenlijke afspraken met Berkeley Lab's Physical Biosciences Division en UC Berkeley's Chemistry Department, en is ook een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute. Hij is de corresponderende auteur van een paper die deze resultaten in het tijdschrift rapporteert Nano-letters . Het artikel is getiteld "Single Molecule Tracking on Supported Membranes with Arrays of Optical Nanoantennas." Co-auteur van het artikel waren Theo Lohmuller, Lars Iversen, Mark Schmidt, Christoffel Rhodos, Hsiung-Lin Tu en Wan-Chen Lin.

Fluorescerende emissies, waarin biomoleculen van belang zijn gelabeld met kleurstoffen die fluoresceren wanneer ze worden gestimuleerd door licht, en Raman-spectroscopie, waarin de verstrooiing van licht door moleculaire trillingen wordt gebruikt om biomoleculen te identificeren en te lokaliseren, zijn optische beeldvormingstechnieken voor werkpaarden waarvan de waarde verder is vergroot door de opkomst van plasmonics. Bij plasmonica, lichtgolven worden samengeperst in gebieden met afmetingen kleiner dan de helft van de golflengte van de invallende fotonen, waardoor het mogelijk wordt optische beeldvormingstechnieken toe te passen op objecten op nanoschaal, zoals biomoleculen. Nano-formaat gouddeeltjes in de

vorm van driehoeken die zijn gekoppeld in een tip-to-tip formatie, als een vlinderdas, kan dienen als optische antennes, het vastleggen en concentreren van lichtgolven in goed gedefinieerde hotspots, waar het plasmonische effect sterk wordt versterkt. Hoewel het concept goed ingeburgerd is, het toepassen ervan op biomoleculaire studies was een uitdaging omdat arrays van gouden deeltjes moeten worden gefabriceerd met goed gedefinieerde nanometerafstanden, en moleculen van belang moeten worden afgeleverd bij plasmonische hotspots.

"We zijn in staat miljarden gouden nanoantennes in een kunstmatig membraan te fabriceren door een combinatie van colloïde lithografie en plasmaverwerking, Groves zegt. "Gecontroleerde afstand tussen de nanoantennegaten wordt bereikt door gebruik te maken van het feit dat polystyreendeeltjes samensmelten op hun contactpunt tijdens plasmaverwerking. Het resultaat is een goed gedefinieerde afstand tussen elk paar gouden driehoeken in de uiteindelijke array met een tip-to-tip afstand tussen aangrenzende gouden nanodriehoeken meten in het bereik van 5 tot 100 nanometer."

Tot nu, Groves zegt, het is niet mogelijk geweest om de grootte van de gouden nanodriehoeken te ontkoppelen, die hun oppervlakteplasmonresonantiefrequentie bepaalt, van de tip-to-tip afstand tussen de individuele nanodeeltjeskenmerken, die verantwoordelijk is voor het versterken van het plasmonische effect. Met hun colloïdale lithografiebenadering, een zelfassemblerende hexagonale monolaag van polymeerbolletjes wordt gebruikt om een ​​substraat te schaduwmaskeren voor daaropvolgende afzetting van de gouden nanodeeltjes. Wanneer het colloïdale masker wordt verwijderd, wat overblijft zijn grote reeksen gouden nanodeeltjes en driehoeken waarover het kunstmatige membraan kan worden gevormd.

De unieke kunstmatige membranen, die Groves en zijn onderzoeksgroep eerder ontwikkelden, zijn een andere sleutel tot het succes van deze laatste prestatie. Gemaakt van een vloeibare dubbellaag van lipide moleculen, deze membranen zijn de eerste biologische platforms die vaste nanopatronen kunnen combineren met de mobiliteit van vloeibare dubbellagen. Ze bieden een ongekende mogelijkheid voor de studie van hoe de ruimtelijke patronen van chemische en fysische eigenschappen op membraanoppervlakken het gedrag van cellen beïnvloeden.

"Wanneer we onze kunstmatige membranen insluiten met gouden nanoantennes, kunnen we de banen van vrij diffunderende individuele eiwitten volgen terwijl ze achtereenvolgens passeren en worden versterkt door de meerdere openingen tussen de driehoeken, Groves zegt. "Hierdoor kunnen we een realistisch systeem bestuderen, als een cel, die miljarden moleculen kunnen omvatten, zonder de statische opsluiting van de moleculen."

Omdat moleculen in levende cellen over het algemeen in een staat van eeuwigdurende beweging zijn, het is vaak hun beweging en interactie met andere moleculen in plaats van statische posities die hun functies binnen de cel bepalen. Groves zegt dat elke techniek die directe adsorptie van een molecuul van belang op een nanoantenne vereist, dat molecuul intrinsiek verwijdert uit het functionerende ensemble dat de essentie is van zijn natuurlijke gedrag. The technique he and his co-authors have developed allows them to look at individual biomolecules but within the context of their surrounding community.

"The idea that optical nanoantennas can produce the kinds of enhanced signals we are observing has been known for years but this is the first time that nanoantennas have been fabricated into a fluid membrane so that we can observe every molecule in the system as it passes through the antenna array, " Groves says. "This is more than a proof-of-concept we've shown that we now have a useful new tool to add to our repertoire."