Het leven hangt af van opmerkelijke reeksen biochemische reacties. Om de werking van biomoleculen te begrijpen, moeten deze reacties in realtime worden gevolgd. Gebeurt in slechts kleine fracties van een milliseconde, dit is erg moeilijk, zelfs met zeer gevoelige optische instrumenten. Daarom, doctoraat onderzoeker Yuyang Wang gebruikt een 'plasmonische nanotoorts, " een enkel metalen nanodeeltje dat enkele fluorescerende moleculen verlicht, waardoor het nu mogelijk is om die ultrasnelle biochemische reacties te detecteren. Wang verdedigt zijn Ph.D. op 19 juni.

biochemische reacties, vooral die waarbij enzymen betrokken zijn, zijn wat het leven mogelijk maakt. De studie van deze reacties vormt de basis van de moderne biofysische wetenschappen, en er is een schat aan informatie onthuld over de betrokken lengte- en tijdschema's. Tot voor kort, biomoleculen en hun interacties werden bestudeerd op ensembleniveau, waar veel moleculen worden bestudeerd op tijdschalen die veel langer zijn dan in een biochemische reactie.

Pak de biologische puzzels aan

Single-molecule fluorescentiemicroscopie (SMFM) is een essentieel hulpmiddel bij het verkrijgen van biologisch inzicht in complexe moleculaire systemen waar hoge temporele en ruimtelijke resoluties vereist zijn. Met behulp van SMFM, men kan de biologische puzzels aanpakken die traditioneel onmogelijk op te lossen zijn. Dit komt omdat de gevoeligheid van één molecuul toegang geeft tot tijd-tot-tijd en molecuul-tot-molecuul verschillen die verband houden met gecompliceerde biologische processen, die verborgen zijn in observaties op ensembleniveau.

Echter, de temporele resolutie van SMFM wordt beperkt door de helderheid van afzonderlijke moleculen vanwege hun intrinsieke fluorescentieverzadiging bij hoog laservermogen. Nieuwe benaderingen om de helderheid te verbeteren zijn dringend nodig om de toepassingen van SMFM uit te breiden naar snellere regimes. Yuyang Wang onderzocht daarom het gebruik van enkele gouden nanodeeltjes om de maximale helderheid van afzonderlijke moleculen te vergroten.

Antennes op nanoschaal

Edele metalen nanodeeltjes, goud- of zilverdeeltjes kleiner dan 100 nanometer, gedragen zich als antennes op nanoschaal. Fluorescentiemoleculen die zich in de buurt van deze deeltjes bevinden, worden aanzienlijk beïnvloed en lijken veel helderder alsof ze worden verlicht door een "plasmonische nanotoorts". Wang besteedde speciale aandacht aan het verzadigingsgedrag van afzonderlijke moleculen in de buurt van plasmonische deeltjes, omdat verzadiging de helderheid beperkt. Hij ontdekte dat enkele plasmonische nanodeeltjes het verzadigingsgedrag wijzigen en de maximale helderheid van afzonderlijke moleculen tot honderden keren verhogen. Ook ontwikkelde hij zowel in theorie als in de praktijk een systematische aanpak om met deze nanodeeltjes te werken.

Voor het eerst worden enkele plasmonische nanotoortsen nu in eerste instantie toegepast voor de detectie van fluorogene enzymreacties, een belangrijke stap in het pushen van fluorescentieverbetering op het gebied van enzymologie met één molecuul. Wang's onderzoek bevordert het begrip van plasmon-versterkte fluorescentie en maakt de weg vrij voor het bestuderen van snelle biomoleculaire processen.