(Phys.org)—Zuurgraad (pH) en zijn veranderingen spelen een belangrijke rol in veel fysiologische processen, inclusief eiwitvouwing, en kunnen fungeren als indicatoren van kanker. In het journaal Angewandte Chemie , Amerikaanse onderzoekers hebben nu een onconventionele pH-sensor geïntroduceerd die het mogelijk maakt om veranderingen in pH-waarden in levende cellen over langere tijd te volgen, met voorheen onbereikbare ruimtelijke resolutie. Dit is mogelijk door de combinatie van fluorescerende nanokristallen met mobiele moleculaire "armen" die kunnen vouwen of ontvouwen afhankelijk van de pH van hun omgeving.

endosomen, celorganellen die een rol spelen bij transport binnen cellen, ervaren een aanzienlijke daling van hun pH-waarde naarmate ze ouder worden. Dit werd waargenomen door het team dat samenwerkte met Moungi G. Bawendi van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge met behulp van een nieuwe nanoscopische pH-sensor en een fluorescentiemicroscoop. Het geheim van hun succes ligt in het onconventionele ontwerp van hun sensor:een mobiele moleculaire "arm" verbindt een groen fluorescerend nanokristal met een rode fluorescerende kleurstof. De nanokristallen zijn deeltjes van halfgeleidermaterialen die de lichtenergie die ze absorberen gemakkelijk overdragen aan fluorescerende kleurstoffen via een stralingsvrij mechanisme (overdracht van fluorescentieresonantie-energie, of FRET). Dit zorgt ervoor dat de kleurstof fluoresceert - zolang beide FRET-partners dicht genoeg bij elkaar zijn.

De afstand tussen het nanokristal en de kleurstof wordt geregeld door het vouwen en ontvouwen van de moleculaire arm op de nano-pH-sensor - en deze beweging is pH-afhankelijk. De arm bestaat uit een stuk dubbelstrengs en een stuk enkelstrengs DNA. Naarmate de concentratie van H+-ionen toeneemt, hetzelfde geldt voor de neiging om een ​​"triple streng" te vormen, waarbij de enkele streng in de groef van de dubbele streng past, waardoor de arm vouwt. Deze "armbeweging" vindt plaats in het fysiologisch belangrijke bereik rond pH 7 en is zeer gevoelig voor de minste verandering.

Bij hogere pH-waarden, de arm is gestrekt en de FRET-partners zijn te ver van elkaar verwijderd om energieoverdracht te laten plaatsvinden. Het nanokristal straalt groene fluorescentie uit en de kleurstof fluoresceert niet. Naarmate de pH lager wordt, de arm vouwt voldoende om FRET-energieoverdracht mogelijk te maken. De groene fluorescentie van het nanokristal neemt af en de kleurstof begint rood te gloeien. Omdat deze techniek de verhouding tussen groene en rode fluorescentie meet in plaats van een absolute waarde, variaties in intensiteit maken geen verschil. De sensor heeft dus een interne referentie.

Bij dit type sensor de eigenlijke "pH-tester" en het optische signaalapparaat zijn twee afzonderlijke componenten. Door de pH-tester te vervangen door een moleculaire arm die reageert op een andere analyt, moet het mogelijk zijn om hetzelfde principe en hetzelfde optische signaalapparaat te gebruiken om sensoren voor andere doelmoleculen te bouwen.

Nanokristalfluoroforen hebben op verschillende gebieden veel opwinding veroorzaakt vanwege hun aantrekkelijke optische eigenschappen. Nanokristallen bieden superieure eigenschappen in vergelijking met traditionele moleculaire fluoroforen, in het bijzonder in de biologie, waar ze kunnen helpen de innerlijke werking van de cel te onthullen. Echter, het omzetten van deze nieuwe nanomaterialen in fluorescerende sensoren is moeilijk gebleken. Het concept om een ​​moleculaire conformatieverandering te gebruiken om een ​​sensor te creëren is nieuw voor nanokristalsensoren en zou een algemene oplossing kunnen zijn voor het probleem om sensoren te maken van nanokristallen.