Een enkele cel in ons lichaam is samengesteld uit duizenden miljoenen verschillende biomoleculen die op een uiterst goed gecoördineerde manier samenwerken. Hetzelfde, veel biologische en biochemische reacties treden alleen op als moleculen in zeer hoge concentraties aanwezig zijn. Begrijpen hoe al deze moleculen met elkaar omgaan, is de sleutel tot het vergroten van onze kennis in moleculaire en celbiologie.

Deze kennis is van centraal en fundamenteel belang in de zoektocht naar de opsporing van de vroegste stadia van veel menselijke ziekten. Als zodanig, een van de ultieme doelen in Life Sciences en Biotechnologie is om te observeren hoe individuele moleculen werken en met elkaar omgaan in deze zeer drukke omgevingen. Helaas, het detecteren van één molecuul tussen miljoenen naburige moleculen was tot nu toe technisch onmogelijk. De sleutel tot het succesvol detecteren van het enkele molecuul ligt in het bedenken en produceren van een werkend apparaat dat het waarnemingsgebied verkleint tot een klein formaat dat vergelijkbaar is met de grootte van het molecuul zelf, dat wil zeggen slechts enkele nanometers.

Onderzoekers van het Fresnel Instituut in Marseille en ICFO-het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona rapporteren in Natuur Nanotechnologie het ontwerp en de fabricage van het kleinste optische apparaat, in staat om individuele biomoleculen te detecteren en te detecteren in concentraties die vergelijkbaar zijn met die in de cellulaire context. Het apparaat genaamd "antenna-in-a-box" bestaat uit een kleine dimere antenne gemaakt van twee gouden halve bollen, van elkaar gescheiden door een opening zo klein als 15nm. Licht dat naar deze antenne wordt gestuurd, wordt enorm versterkt in het gap-gebied waar de daadwerkelijke detectie van het betreffende biomolecuul plaatsvindt. Omdat de versterking van het licht beperkt is tot de afmetingen van de opening, alleen moleculen die in dit kleine gebied aanwezig zijn, worden gedetecteerd. Een tweede truc die de onderzoekers gebruikten om dit apparaat te laten werken, was om de dimere antennes in dozen met nanometrische afmetingen in te bedden. "De doos schermt de ongewenste "ruis" van miljoenen andere omringende moleculen af, het verminderen van de achtergrond en het verbeteren van de detectie van individuele biomoleculen als geheel.", legt Jerome Wenger van het Fresnel Instituut uit. Wanneer getest onder verschillende monsterconcentraties, dit nieuwe antenne-in-doos-apparaat maakte een 1100-voudige verbetering van de fluorescentiehelderheid mogelijk, samen met detectievolumes tot 58 zeptoliter (1 zL =10-21L), d.w.z., het kleinste waarnemingsvolume ter wereld.

De antenne-in-een-doos biedt een zeer efficiënt platform voor het uitvoeren van een groot aantal biochemische beoordelingen op nanoschaal met gevoeligheid voor één molecuul onder fysiologische omstandigheden. Het kan worden gebruikt voor ultragevoelige detectie van minuscule hoeveelheden moleculen, een uitstekend instrument voor vroege diagnose te worden voor biosensing van veel ziektemarkers. "Het kan ook worden gebruikt als een ultraheldere optische nanobron om moleculaire processen in levende cellen te verlichten en uiteindelijk te visualiseren hoe individuele biomoleculen met elkaar omgaan. Dit brengt ons dichter bij de langverwachte droom van biologen", concludeert ICFO-onderzoeker prof.dr. Maria Garcia-Parajo.