In staat zijn om individuele biomoleculen te volgen en ze aan het werk te observeren, is de droom van elke biochemicus. Dit zou de wetenschappers in staat stellen om de werking van de nanomachines van het leven in detail te onderzoeken en beter te begrijpen, zoals ribosomen en DNA-polymerasen. Onderzoekers van het Max Planck Institute for the Science of Light zijn een grote stap dichterbij dit doel gekomen. Met behulp van een optische microstructuur en gouden nanodeeltjes, ze hebben de interactie van licht met DNA zodanig versterkt dat ze nu interacties tussen individuele DNA-molecuulsegmenten kunnen volgen. Daarbij, ze hebben de grenzen bereikt van wat fysiek mogelijk is. Hun optische biosensor voor enkelvoudige niet-gelabelde moleculen zou ook een doorbraak kunnen zijn in de ontwikkeling van biochips:minilabs ter grootte van een vingernagel in mobiele analytische apparaten zouden een druppel bloed kunnen testen op meerdere ziekten tegelijk of uitgebreide omgevingsanalyses kunnen vergemakkelijken met heel weinig monstermateriaal.

Ons begrip van fundamentele levensprocessen werd voor het eerst mogelijk gemaakt door kennis van hoe individuele biomoleculen met elkaar interageren. In cellen, nanomachines zoals ribosomen en DNA-polymerasen hechten individuele moleculen aan elkaar om complexe biologische structuren te vormen zoals eiwitten en DNA-moleculen, de opslagplaatsen van genetische informatie. Hoewel het mogelijk is om de interactie van individuele moleculen met enzymen of ribosomen te onderzoeken, de moleculen moeten vaak worden geëtiketteerd, bijvoorbeeld met fluorescerende markers, om ze te observeren. Echter, dergelijke labeling is alleen mogelijk met bepaalde moleculen, en het kan interfereren met de functie van de biologische nanomachines. Hoewel licht kan worden gebruikt om ongelabelde biomoleculen te detecteren, de aanpak kan niet worden gebruikt om afzonderlijke DNA-moleculen te detecteren, omdat de interactie van lichtgolven met het molecuul te zwak is.

Een team van natuurkundigen onder leiding van Frank Vollmer van het Laboratorium voor Nanofotonica en Biosensoren van het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht is er nu in geslaagd om de interactie van licht met DNA-moleculen zo te versterken dat hun fotonische biosensor kan worden gebruikt om enkele ongelabelde moleculen en hun interacties.

Een microsfeer wordt een optische fluistergalerij

Om dit te behalen, de natuurkundigen gebruiken glaskralen met een diameter van ongeveer 60 micrometer, ongeveer de dikte van een mensenhaar, en gouden nanodraden ca. 12 nanometer in diameter en 42 nanometer lang. De gouddraad is dus maar ongeveer een tienduizendste van de dikte van een haar. De microsfeer en nanodraad versterken de interactie tussen licht en moleculen. Met behulp van een prisma, de onderzoekers schijnen laserlicht in de microsfeer. Het licht wordt herhaaldelijk gereflecteerd op het binnenoppervlak van de bol totdat, uiteindelijk, het plant zich voort langs het binnenoppervlak, vergelijkbaar met de manier waarop geluidsgolven langs de muren van een cirkelvormige omheining of fluistergalerij reizen:wanneer iemand aan het ene uiteinde van de koepelvormige of gewelfde galerij fluistert, een persoon aan de andere kant kan het aan de andere kant horen, zelfs over een ongewoon lange afstand. Dit komt omdat de geluidsgolven tijdens het reizen hun intensiteit niet verliezen.

Als een molecuul aan het oppervlak van de glasparel is bevestigd, de lichtstraal gaat er meer dan honderdduizend keer langs. Omdat de lichtgolf zich altijd iets buiten de microsfeer uitbreidt, er vindt een interactie plaats tussen het en het molecuul. Deze interactie wordt sterk versterkt door het frequente contact tussen het licht en het molecuul. Echter, de interactie is nog te zwak om losse moleculen te registreren.

Vollmer en zijn collega's bevestigen daarom een ​​nanodraad aan het oppervlak van de glaskraal. Het voorbij suizende licht genereert plasmonen:collectieve oscillaties van elektronen. "De plasmonen trekken de lichtgolf iets verder uit de glazen microbol, " legt Vollmer uit. Dit versterkt de veldsterkte van de lichtgolf met een factor meer dan duizend. De versterking in signaal is dan voldoende om afzonderlijke biomoleculen te detecteren, zoals DNA-fragmenten. De onderzoekers uit Erlangen deden precies dat. Ze bevestigden een fragment van enkelstrengs DNA, die altijd voorkomt in de vorm van een dubbele streng in de celkern, naar de nanodraad die op de microsfeer is gemonteerd. Wanneer een match, d.w.z. complementair, DNA-fragment bindt aan het "aas" op de nanodraad, de golflengte van het licht verschuift en wordt versterkt door de microsfeer en nanodraad. Deze verschuiving kan worden gemeten.

Verschillende strengsecties kunnen worden onderscheiden door hun bindingsgedrag

Echter, de fysici gebruikten een korter DNA-fragment dan gebruikelijk is bij vergelijkbare procedures. Als een kort stukje tape op een muur, short DNA fragments do not adhere strongly to each other, so that the strands separate again relatively quickly. Vandaar, new fragments are able to bind repeatedly to the molecular "bait", including fragments that are not fully complementary. Op deze manier, it is possible to investigate how long the DNA fragments interact with each other and how often the "bait" captures a segment. "This approach makes it possible to use a single DNA receptor and to follow its successive interactions with various DNA segments in the sample solution, " says Frank Vollmer. "Based on the duration and frequency of the measured interactions, it is then possible to detect specific unlabelled DNA molecules."

The researchers have tested their optical biosensor with a sample containing both an exactly matching DNA fragment and a fragment that was not perfectly complementary. They were able to distinguish the two fragments based on their different kinetics.

Even in nature, the bonds formed between molecules and nanomachines are fleeting. Dankzij de nieuwe methode it is now possible to explore such natural kinetics in greater detail, says Frank Vollmer. "More research is needed, " zegt de fysicus, who is looking forward to tackling future challenges.

The researchers in Erlangen are already planning future projects. "It's possible to observe, bijvoorbeeld, how an enzyme such as DNA polymerase synthesizes DNA, " explains Vollmer. The scientists would also like to integrate their photonic biodetector into optical microchips for use in clinical diagnostics.