Onderzoekers van de Universiteit Leiden en de TU Delft hebben twee technieken gecombineerd die worden gebruikt om de structuur van biomoleculen te meten, het creëren van een methode die 10 keer gevoeliger is. Met deze nieuwe methode ze hopen de structuur van biomoleculen beter te kunnen bepalen. Dit is belangrijk, omdat de structuur van een biomolecuul vaak zijn functie bepaalt. Hetzelfde geldt voor complexere organische verbindingen zoals eiwitten, die tijdens hun levenscyclus meerdere vormveranderingen kunnen ondergaan, waardoor ze verschillende taken kunnen uitvoeren.

Net zoals je rechterhand het spiegelbeeld is van je linkerhand, veel moleculen hebben ook een gespiegelde versie. En hoewel ze er bijna hetzelfde uitzien, een linkshandige molecuul werkt vaak heel anders dan een rechtshandige. Een bekend voorbeeld hiervan is het medicijn thalidomide, die begin jaren zestig op de markt werd gebracht als een veilige slaappil, zelfs voor zwangere vrouwen. Het medicijn bestond uit een mix van linkshandige en rechtshandige varianten van het actieve molecuul, maar alleen het linkshandige molecuul had het gewenste effect. Het rechtshandige molecuul bleek giftig te zijn, waardoor wereldwijd duizenden baby's worden geboren met misvormde ledematen.

Spiegelbeeld

Moleculen die een spiegelbeeld van zichzelf hebben, worden chirale moleculen genoemd. En vanwege het verschil in biologische eigenschappen tussen links- en rechtshandige moleculen, chiraliteit is een fenomeen dat breed wordt bestudeerd in de natuurwetenschappen.

Een belangrijke methode om te meten of een molecuul links- of rechtshandig is, is circulair dichroïsme. Met deze techniek, onderzoekers richten circulair gepolariseerd licht dat naar links of rechts draait op een monster en meten vervolgens hoe het licht wordt geabsorbeerd. Omdat moleculen met verschillende handen licht anders absorberen, Met deze techniek kunnen onderzoekers de verhouding tussen deze moleculen in een monster bepalen. Door verschillende kleuren (golflengten) van licht te gebruiken, ze kunnen zelfs ontdekken hoe een eiwit is gevouwen. Dit is belangrijk omdat eiwitten tijdens hun levenscyclus vaak structurele veranderingen ondergaan, met deze veranderingen die hun gedrag beïnvloeden.

Beter signaal

Het probleem met circulair dichroïsme is dat het resulterende signaal meestal erg zwak is. "Dit betekent dat je veel tijd nodig hebt om je signaal op te vangen, " legt TU Delft-onderzoeker Martin Caldarola uit. "Je kunt het vergelijken met de sluitertijd van een camera. Hoe langer de sluitertijd, hoe meer licht er op de detector komt. Dus, er zijn dimmerobjecten te zien." Het verhogen van het aantal moleculen of eiwitten in een monster zou ook leiden tot een beter signaal. Maar in sommige gevallen is dat heel moeilijk te realiseren.

De Leidse en Delftse onderzoekers hebben nu circulair dichroïsme gecombineerd met een andere bestaande techniek, fotothermische beeldvorming genoemd. Deze methode kan worden gebruikt om te meten hoeveel fotonen een molecuul absorbeert. De experimentele inspanningen van de groep van Michel Orrit aan de Universiteit Leiden leidden tot de eerste werkopstelling. Aan de TU Delft is een verbeterde versie gerealiseerd waarmee de onderzoekers de volgende stappen in het project kunnen zetten. "Door circulair dichroïsme te combineren met fotothermische beeldvorming, we bereikten een gevoeligheid die 10 keer hoger is dan met alleen circulair dichroïsme, " zegt Caldarola. Om te bewijzen dat de methode werkt, de onderzoekers maakten linkshandige en rechtshandige kopieën van een gouden nanostructuur die werkte als een kunstmatige molecule. Vervolgens hebben ze met succes de handigheid van deze nanostructuren gemeten.

De ultieme droom van de onderzoekers is om de chiraliteit van een enkel biomolecuul te kunnen detecteren. Het grote voordeel van circulair dichroïsme is dat je niet afhankelijk bent van de fluorescerende labels die onderzoekers nu vaak op hun moleculen plakken om ze te kunnen volgen. "Deze labels werken goed, maar ze werken maar voor een beperkte tijd. Daarna, je experiment is voorbij, " zegt Caldarola. "In theorie, onze methode moet ons in staat stellen biologische processen te meten zolang we willen."

Er moet nog veel gebeuren voordat dat werkelijkheid wordt, Hoewel. "Helaas, we zijn nog niet in staat om afzonderlijke moleculen te detecteren, " zegt Caldarola. "Om dit te doen, we moeten de gevoeligheid met een factor duizend verbeteren. Klinkt onmogelijk? Misschien niet. "We hebben al manieren in gedachten om de techniek honderd keer gevoeliger te maken. Vanaf daar is het maar een kleine stap."