MWC 2018
2018
Computex
IFA 2018
Учёные Технологического университета Делфта (Delft University of Technology) разработали плазмонные наноантенны, которые способны усиливать флуоресценцию белков непосредственно в живых клетках млекопитающих. Это важно для наблюдения за активностью живых организмов в режиме реального времени, что позволяет изучать саму жизнь и её процессы во всём многообразии.
Источник изображения: Delft University of Technology
Уже давно созданы генномодифицированные белки, которые могут светиться в живых клетках просто так и как отклик на химическую и электрическую активность клеток. Такие белки, например, синтезируются в клетках головного мозга мышей. В таком случае по свечению белков можно отслеживать реакцию мышей на раздражители без вживления в их мозг имплантов и зондов, что меньше травмирует зверьков и даёт больше информации об их поведении. Но исследователям часто не хватает яркости такого свечения и чувствительности белков к электрическим импульсам нервной системы, чтобы визуализация процессов была чётче и полнее.
В новой работе учёные показали, что можно создать своеобразные наноантенны, расположение которых в непосредственной близости от белков, увеличивает интенсивность их флуоресценции до шести раз, причём клетки остаются живыми и продолжают нормально функционировать. Ранее подобные наноантенны применялись для усиления свечения в неживом окружении, но идея оказалась рабочей также для органики.
В качестве наноантенн исследователи использовали золотые нанозвёзды — плазмонные наночастицы со сложной геометрией, способной концентрировать электромагнитное поле в нанометровой области вокруг поверхности. При освещении лазером в частице возбуждаются локализованные поверхностные плазмоны, создающие сильное оптическое ближнее поле. Если флуоресцентный белок оказывается достаточно близко к такой структуре, изменяется его взаимодействие со светом: увеличивается эффективность возбуждения и скорость излучения фотонов.
Ключевой инженерной задачей было подобрать форму и размеры частиц, обеспечить их химическую стабильность и добиться правильного расположения относительно мембранных белков. Именно контролируемое нанометровое сопряжение антенны с флуорофором позволило перенести хорошо известный эффект усиления флуоресценции одиночных молекул в живую клетку не навредив ей.
Однако наиболее неожиданным результатом стало не только увеличение яркости. Белок QuasAr6a стал примерно в десять раз быстрее реагировать на изменения напряжения на мембране. Исследователи связывают это с тем, что плазмонная структура воздействует не просто на интенсивность свечения, а на фотохимический цикл самого белка. Исследователи считают, что усиленное оптическое ближнее поле изменяет скорости переходов между состояниями белка, одновременно повышая скорость испускания фотонов и ускоряя его динамику.
Последнее крайне важно для регистрации быстрых сигналов в синапсаех, на что у генномодифицированного белка не хватало разрешения по времени. Все предыдущие работы по модификации генов светящегося белка так и не смогли повысить его яркость и разрешение, с чем легко справились наноантенны. Инженеры победили генетиков. Но польза от этого огромная — высокочувствительный комплекс из белка с наноантенной позволит с большей детализацией проследить за активностью головного мозга млекопитающих (мышей) и даже за органами глубоко в тканях грызунов, что раньше было трудноосуществимо, но с новыми наноантеннами станет посильной задачей.
Источник:
