(Phys.org) -- Stel je voor dat je een hert door een bos volgt door een radiozender aan zijn oor te knippen en de locatie van het hert op afstand te volgen. Stel je nu voor dat die zender zo groot is als een huis, en je begrijpt het probleem dat onderzoekers kunnen tegenkomen wanneer ze nanodeeltjes proberen te gebruiken om eiwitten in levende cellen te volgen.

Begrijpen hoe een eiwit zich door een cel beweegt, helpt onderzoekers de functie van het eiwit en de cellulaire mechanismen voor het maken en verwerken van eiwitten te begrijpen. Deze informatie helpt onderzoekers ook bij het bestuderen van ziekten, wat op cellulair niveau kan betekenen dat een eiwit niet goed functioneert, stopt met maken, of naar het verkeerde deel van de cel wordt gestuurd. Maar nanodeeltjessondes die te groot zijn, kunnen de normale activiteiten van een eiwit verstoren.

Nu heeft een team van wetenschappers onder leiding van Bruce Cohen van de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory, een nanowetenschapscentrum van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft ontdekt hoe lichtgevende nanokristallen klein genoeg kunnen worden om de celactiviteit niet te verstoren, maar helder genoeg om één voor één in beeld te worden gebracht. Cohen is corresponderend auteur van een artikel in de 16 februari, 2012 uitgave van ACS Nano het beschrijven van dit werk met de titel, “Gecontroleerde synthese en single-particle beeldvorming van heldere, Sub-10 nm met lanthanide gedoteerde upconverting nanokristallen.” Coauteurs zijn Alexis Ostrowski, Emory Chan, Daniël Gargas, Elan Katz, bende Han, James Schuck, en Delia Milliron.

“Wetenschappers proberen al jaren het gedrag van eiwitten te bestuderen door ze te taggen met lichtgevende sondes, ’ zei Koen. “Maar het probleem is om de juiste soort sonde te vinden. Onze benadering is om upconverting-nanodeeltjesprobes klein genoeg te maken zodat ze het eiwitgedrag niet zouden verstoren."

Een betere sonde maken

Vroeger, onderzoekers gebruikten fluorescerende moleculen of kwantumstippen als sondes. Met behulp van de modernste optica en microscopen, onderzoekers kunnen licht oplossen dat afkomstig is van afzonderlijke moleculen die aan eiwitten zijn bevestigd, die hen vertelt waar het eiwit zich in een cel bevindt. De probe-moleculen in deze experimenten hebben de neiging om snel af te breken of "fotobleken", onderzoekers beperken tot slechts een paar seconden continue beeldvorming of een reeks afbeeldingen die seconden uit elkaar zijn genomen. De alternatieve sondes, kwantum stippen, minder last hebben van fotobleken, maar in plaats daarvan flikkeren ze aan en uit, op dezelfde manier hun bruikbaarheid als sondes beperken.

Het Foundry-team wilde zowel knipperen als bleken vermijden, dus wendden ze zich tot nanokristallen van natriumyttriumfluoride (NaYF ₄ ) met sporenhoeveelheden van de lanthanide-elementen ytterbium en erbium, die, ze kwamen erachter, straal helder uit, stabiel licht, ideaal voor bio-imaging. Belangrijker, deze nanokristallen "upconverteren" licht, het absorberen van laagenergetische fotonen en het opnieuw uitzenden ervan met hogere energieën.

“Als iets fluorescerend licht absorbeert, straalt het meestal licht uit met een iets lagere energie. Upconversie gaat de andere kant op, daadwerkelijk de energie van het uitgestraalde licht verhogen, ' zei Cohen. “In ons geval zijn we spannend met licht met een vrij laag energieverbruik, nabij-infrarood (voorbij rood in het zichtbare spectrum), en dan zenden de nanokristallen licht uit in het zichtbare bereik, zoals groen of rood, die eigenlijk hoger is in energie.”

Het voordeel van het opconverteren van nanokristallen is dat cellen zelf geen licht omzetten. Normaal gesproken, wanneer wetenschappers een cel afbeelden met behulp van moleculaire sondes, ze gebruiken licht met zichtbare golflengte om zowel te prikkelen als af te beelden. Helaas, veel dingen in de cel zenden ook geabsorbeerd licht uit bij deze golflengten, die achtergrondruis in het beeld veroorzaakt en wetenschappers dwingt om meer sondes en helderdere lichtbronnen te gebruiken. Met opconverterende nanokristallen, onderzoekers kunnen zachtjes stimuleren met infrarood licht en kijken naar zichtbaar licht van enkele sondes die duidelijk tegen een donkere achtergrond staan.

"Het andere voordeel van het opconverteren van nanokristallen is dat nabij-infrarood licht veel minder schadelijk is voor cellen dan, zeggen, zichtbaar of ultraviolet licht, ’ zei Koen. "Dat betekent dat wanneer we deze zeer lange beeldvormingsexperimenten doen met intense lichtkrachten om afzonderlijke moleculen te zien, we gebruiken golflengten die vrij goedaardig zijn voor cellen."

Een combinatorische oplossing

Nanokristallen van NaYF ₄ kan zich vormen in twee verschillende geometrieën, alfa en bèta genoemd. De bèta-fase nanokristallen zijn efficiënter bij opconversie en dus beter voor bio-imaging, maar ze zijn ook moeilijker te kweken. Om de groeiparameters vast te stellen om reproduceerbare bèta-NaYF . te krijgen ₄ nanokristallen, het team gebruikte de WANDA-robot van de Molecular Foundry - het werkstation voor geautomatiseerde ontdekking en analyse van nanomaterialen - ontwikkeld door Emory Chan en Delia Milliron van Berkeley Lab.

“Niets van dit alles zou mogelijk zijn zonder te kunnen doen wat wij bij de Foundry combinatorische nanowetenschap noemen. Dat betekent in feite dat je heel veel verschillende reacties in WANDA moet uitvoeren om te leren hoe je de grootte of de kleur van de nanodeeltjes kunt regelen, ’ zei Koen. "We hebben duizenden verschillende reacties uitgevoerd om te leren hoe we deze dingen kunnen laten groeien."

Kleinere nanodeeltjes betekent minder licht, dus het team moest de goede plek vinden:

Hoe klein konden ze ze maken en toch in staat zijn om individuele nanokristallen in een levend systeem af te beelden? “Dat is een van de leuke dingen van het hebben van deze controle, is dat we ze niet alleen kunnen zeggen, 5 nanometer, maar we kennen ook de voorwaarden om ze groter te maken als we ze helderder moeten maken, ' zei Cohen.

Om de geometrie van hun nanokristallen te helpen begrijpen, coauteur James Schuck vroeg een zomerstagiair om een ​​computermodel van de kristalstructuur te maken. Andrew Müller, een middelbare scholier van de Vistamar School in Los Angeles, ging echter veel verder dan een eenvoudige kristalstructuur.

"Ik begon gewoon vormen samen te stellen op basis van wat er in de literatuur voor het kristal stond, ’ zei Müller. "Vervolgens wilde ik laten zien hoe het eruit zag in een nanokristal, dus ik bewoog de camera in de structuur en keek uit om te laten zien hoe atomen samenkomen in een nanokristal." Mueller voegde later een animatie toe van twee fotonen die worden geabsorbeerd en omgezet in een enkele uitgezonden foton.

“De video is een goed antwoord op de vraag, wat is een nanokristal?” zei Cohen. "Je kunt zien dat dit eigenlijk maar een paar honderd of misschien een paar duizend atomen in een nanokristal zijn, gerangschikt in kleine, vaste patronen.”

Volgende, het team wil de opconverterende nanokristallen in actie brengen en daadwerkelijk afzonderlijke eiwitten in kaart brengen die door een cel bewegen. “Een van de dingen die we willen bestuderen, is hoe twee neuronen samenkomen, hoe twee hersencellen samenkomen om een ​​synaps te vormen - de ruimten tussen neuronen die verantwoordelijk zijn voor alle hersenactiviteit, ' zei Cohen. "Het is bekend dat er bepaalde paren eiwitten zijn die samenkomen uit twee neuronen en ze vinden elkaar en vormen een synaps, maar de vraag is, hoeveel heb je daarvan nodig? Hoeveel paar eiwitten? Is slechts één interactie genoeg om een ​​synaps te vormen, keren ze zichzelf om, enzovoorts? Nu we weten hoe we precies de nanodeeltjes kunnen maken die we willen, de volgende stap is om ze in een cel te testen.”

Dit werk werd ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy Office of Science.