Voortbouwend op hun creatie van het allereerste mechanische apparaat dat de massa van individuele moleculen kan meten, een per keer, een team van Caltech-wetenschappers en hun collega's hebben nanodevices gemaakt die ook hun vorm kunnen onthullen. Dergelijke informatie is cruciaal bij het identificeren van grote eiwitmoleculen of complexe samenstellingen van eiwitmoleculen.

"Je kunt je voorstellen dat met grote eiwitcomplexen gemaakt van veel verschillende, kleinere subeenheden zijn er vele manieren om ze te monteren. Deze kunnen uiteindelijk vrij vergelijkbare massa's hebben, terwijl ze in feite verschillende soorten zijn met verschillende biologische functies. Dit geldt vooral voor enzymen, eiwitten die chemische reacties in het lichaam bemiddelen, en membraaneiwitten die de interacties van een cel met zijn omgeving regelen, " legt Michael Roukes uit, de Robert M. Abbey hoogleraar natuurkunde, Toegepaste fysica, en Bioengineering bij Caltech en de co-corresponderende auteur van een paper waarin de technologie wordt beschreven die op 30 maart verscheen in het online nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Een van de fundamenten van de genomics-revolutie was het vermogen om massaal DNA- of RNA-moleculen te repliceren met behulp van de polymerasekettingreactie om de vele miljoenen kopieën te maken die nodig zijn voor typische sequencing en analyse. Echter, dezelfde massaproductietechnologie werkt niet voor het kopiëren van eiwitten. Direct, als je een bepaald eiwit goed wilt identificeren, je hebt er veel van nodig - meestal miljoenen exemplaren van alleen het eiwit van belang, met zeer weinig andere vreemde eiwitten als verontreinigingen. De gemiddelde massa van deze moleculaire populatie wordt vervolgens geëvalueerd met een techniek genaamd massaspectrometrie, waarin de moleculen worden geïoniseerd - zodat ze een elektrische lading krijgen - en vervolgens in staat worden gesteld om te interageren met een elektromagnetisch veld. Door deze interactie te analyseren, wetenschappers kunnen de moleculaire massa-tot-lading verhouding afleiden.

Maar massaspectrometrie kan vaak geen onderscheid maken tussen subtiele maar cruciale verschillen in moleculen met vergelijkbare massa-ladingsverhoudingen. "Met massaspectrometrie vandaag, " legt Roukes uit, "grote moleculen en moleculaire complexen worden eerst in veel kleinere stukjes gehakt, dat is, in kleinere molecuulfragmenten die bestaande instrumenten aankunnen. Deze verschillende fragmenten worden afzonderlijk geanalyseerd, en vervolgens worden bio-informatica - met computersimulaties - gebruikt om de puzzel weer in elkaar te leggen. Maar dit hermontageproces kan worden gedwarsboomd als stukken van verschillende complexen met elkaar worden vermengd."

Met hun apparaten Roukes en zijn collega's kunnen de massa van een individueel intact molecuul meten. Elk apparaat - dat slechts een paar miljoenste van een meter of kleiner is - bestaat uit een trillende structuur die een nano-elektromechanische systeem (NEMS) resonator wordt genoemd. Wanneer een deeltje of molecuul op het nanodevice landt, de toegevoegde massa verandert de frequentie waarmee de structuur trilt, net zoals het aanbrengen van druppels soldeer op een gitaarsnaar de frequentie van de vibratie en de resulterende toon zou veranderen. De geïnduceerde verschuivingen in frequentie geven informatie over de massa van het deeltje. Maar ook zij zoals beschreven in de nieuwe krant, kan worden gebruikt om de driedimensionale ruimtelijke verdeling van de massa te bepalen:d.w.z. de vorm van het deeltje.

"Een gitaarsnaar trilt niet alleen op één frequentie, " zegt Roukes. "Er zijn harmonischen van de grondtoon, of zogenaamde vibratiemodi. Wat een vioolsnaar onderscheidt van een gitaarsnaar, zijn de verschillende vermengingen van deze verschillende harmonischen van de grondtoon. Hetzelfde geldt hier. We hebben een hele reeks verschillende tonen die tegelijkertijd kunnen worden opgewekt op elk van onze nanodevices, en we volgen veel verschillende tonen in realtime. Het blijkt dat wanneer het molecuul in verschillende oriëntaties landt, die harmonischen zijn anders verschoven. We kunnen dan de inertial imaging-theorie die we hebben ontwikkeld gebruiken om een ​​beeld in de ruimte te reconstrueren van de vorm van het molecuul."

"De nieuwe techniek onthult een voorheen niet-gerealiseerde mogelijkheid van mechanische sensoren, " zegt professor Mehmet Selim Hanay van de Bilkent Universiteit in Ankara, Kalkoen, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het Roukes-lab en co-eerste auteur van het artikel. "Eerder hebben we moleculen geïdentificeerd, zoals het antilichaam IgM, uitsluitend gebaseerd op hun molecuulgewichten. Nutsvoorzieningen, door tegelijkertijd zowel het molecuulgewicht als de vorminformatie voor hetzelfde molecuul af te leiden, de nieuwe techniek kan het identificatieproces aanzienlijk verbeteren, en dit is zowel van belang voor fundamenteel onderzoek als voor de farmaceutische industrie."

Momenteel, moleculaire structuren worden ontcijferd met behulp van röntgenkristallografie, een vaak arbeidsintensieve techniek waarbij het isoleren, zuiverend, en dan kristalliserende moleculen, en vervolgens hun vorm evalueren op basis van de diffractiepatronen die worden geproduceerd wanneer röntgenstralen interageren met de atomen die samen de kristallen vormen. Echter, veel complexe biologische moleculen zijn moeilijk, zo niet onmogelijk, te kristalliseren. En, zelfs als ze kunnen worden gekristalliseerd, de verkregen moleculaire structuur vertegenwoordigt het molecuul in de kristallijne toestand, die sterk kan verschillen van de structuur van het molecuul in zijn biologisch actieve vorm.

"Je kunt je situaties voorstellen waarin je niet precies weet waarnaar je op zoek bent - waar je in de ontdekkingsmodus bent, en je probeert de immuunrespons van het lichaam op een bepaalde ziekteverwekker te achterhalen, bijvoorbeeld, " zegt Roukes. In deze gevallen, het vermogen om detectie van een enkel molecuul uit te voeren en om zoveel mogelijk afzonderlijke stukjes informatie over dat individuele molecuul te krijgen, vergroot de kans op een unieke identificatie aanzienlijk.

"We zeggen dat kanker vaak begint met een enkele afwijkende cel, en wat dat betekent is dat, ook al is het misschien een van een veelvoud van vergelijkbare cellen, er is iets unieks aan de moleculaire samenstelling van die ene cel. Met deze techniek, we hebben mogelijk een nieuwe tool om erachter te komen wat er uniek aan is, " hij voegt toe.

Tot dusver, de nieuwe techniek is gevalideerd met behulp van deeltjes van bekende afmetingen en vormen, zoals polymeer nanodruppels. Roukes en collega's laten zien dat met de ultramoderne nanodevices van vandaag, de aanpak kan resolutie op moleculaire schaal bieden, dat wil zeggen bieden de mogelijkheid om de moleculaire subcomponenten van individuele, intacte eiwitsamenstellingen. De huidige inspanningen van de groep zijn nu gericht op dergelijke verkenningen.

Scott Kelber, een voormalig afgestudeerde student in het Roukes-lab, is de andere co-eerste auteur van het artikel, getiteld "Traagheidsbeeldvorming met nano-elektromechanische systemen." Professor John Sader van de Universiteit van Melbourne, Australië, en een gastdocent natuurkunde bij Caltech, is de co-corresponderende auteur. Andere co-auteurs zijn Cathal D. O'Connell en Paul Mulvaney van de Universiteit van Melbourne. Het werk werd gefinancierd door een Pioneer Award van de National Institutes of Health Director, een Caltech Kavli Nanoscience Institute Distinguished Visiting Professorship, de Fondation pour la Recherche et l'Enseignement Supérieur in Parijs, en de subsidieregeling van de Australian Research Council.