Naukowcy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison opracowali najczulszą jak dotąd metodę wykrywania i profilowania pojedynczej cząsteczki, odblokowując nowe narzędzie, które może pomóc w lepszym zrozumieniu interakcji elementów składowych materii. Nowa metoda może mieć wpływ na tak różnorodne przedsięwzięcia, jak odkrywanie leków i opracowywanie zaawansowanych materiałów.
Osiągnięcie techniczne, szczegółowo opisane w tym miesiącu w czasopiśmie Nature, oznacza znaczący postęp w rozwijającej się dziedzinie obserwacji pojedynczych cząsteczek bez pomocy znaczników fluorescencyjnych. Chociaż znaczniki te są przydatne w wielu zastosowaniach, zmieniają cząsteczki w sposób, który może przesłaniać ich naturalne wzajemne oddziaływanie. Nowa metoda bez etykiet sprawia, że cząsteczki są tak łatwe do wykrycia, jakby miały etykiety.
„Jesteśmy tym bardzo podekscytowani” – mówi Randall Goldsmith, profesor chemii UW-Madison, który kierował pracami. „Uchwycenie zachowań na poziomie pojedynczych cząsteczek to niezwykle pouczający sposób zrozumienia złożonych systemów, a jeśli uda się zbudować nowe narzędzia, które zapewnią lepszy dostęp do tej perspektywy, narzędzia te mogą być naprawdę potężne”.
Chociaż badacze mogą zebrać przydatne informacje, badając materiały i systemy biologiczne na większą skalę, Goldsmith twierdzi, że obserwacja zachowania poszczególnych cząsteczek i interakcji między nimi jest ważna dla kontekstualizacji tych informacji, czasami prowadząc do nowych spostrzeżeń.
„Kiedy widzisz, jak narody wchodzą w interakcje ze sobą, wszystko sprowadza się do interakcji między jednostkami” – mówi Goldsmith. „Nawet nie przyszłoby do głowy rozumieć, w jaki sposób grupy ludzi wchodzą w interakcje ze sobą, ignorując jednocześnie interakcje poszczególnych osób”.
Goldsmith goni za urokiem pojedynczych cząsteczek, odkąd ponad dziesięć lat temu był pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na Uniwersytecie Stanforda. Pracował tam pod kierunkiem chemika WE Moernera, który w 2014 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie pierwszej metody wykorzystania światła do obserwacji pojedynczej cząsteczki.
Od początkowego sukcesu Moernera badacze na całym świecie opracowali i udoskonalili nowe sposoby obserwacji tych maleńkich kawałków materii.
Metoda opracowana przez zespół UW-Madison opiera się na urządzeniu zwanym mikrorezonatorem optycznym, czyli mikrownęką. Jak sama nazwa wskazuje, mikrownęka to niezwykle mała przestrzeń, w której światło może zostać uwięzione zarówno w przestrzeni, jak i w czasie – przynajmniej na kilka nanosekund – gdzie może oddziaływać z cząsteczką. Mikrowgłębienia częściej spotyka się w laboratoriach fizyki lub elektrotechniki, a nie w laboratoriach chemicznych. Historia Goldsmith w łączeniu koncepcji z różnych dziedzin nauki została doceniona w 2022 roku nagrodą Polymath od Schmidt Futures.
Mikrownęki zbudowane są z niewiarygodnie małych luster umieszczonych bezpośrednio na kablu światłowodowym. Te zwierciadła światłowodowe odbijają światło wielokrotnie i z powrotem w mikrownęce, bardzo szybko.
Naukowcy wpuścili cząsteczki do wnęki, przepuścili przez nią światło i mogą nie tylko wykryć obecność cząsteczki, ale także uzyskać o niej informacje, na przykład prędkość poruszania się w wodzie. Informacje te można wykorzystać do określenia kształtu lub konformacji cząsteczki.
„Konformacja na poziomie molekularnym jest niezwykle ważna, zwłaszcza jeśli chodzi o myślenie o tym, jak biomolekuły oddziałują ze sobą” – mówi Goldsmith. „Powiedzmy, że masz białko i jakiś drobnocząsteczkowy lek. Chcesz sprawdzić, czy białko jest podatne na działanie leku, to znaczy: «Czy lek wchodzi w jakąś poważną interakcję z białkiem?». Jednym ze sposobów, w jaki możesz to zobaczyć, jest wprowadzenie zmiany konformacyjnej. ”
Można to zrobić w inny sposób, ale wymaga to dużej ilości materiału próbnego i czasochłonnych analiz. Goldsmith twierdzi, że dzięki nowo opracowanej technice mikrowgłębień „możemy potencjalnie zbudować narzędzie czarnej skrzynki, które da nam odpowiedź w ciągu kilkudziesięciu sekund”.
Zespół, w skład którego wchodziła Lisa-Maria Needham, była badaczka ze stopniem doktora, a obecnie dyrektor laboratorium na Uniwersytecie w Cambridge, złożyła patent na urządzenie. Goldsmith twierdzi, że urządzenie i metody zostaną udoskonalone w ciągu najbliższych kilku lat. W międzyczasie, jak twierdzi, on i jego współpracownicy już zastanawiają się, w jaki sposób mogłoby to być przydatne.
„Jesteśmy podekscytowani wieloma innymi zastosowaniami w spektroskopii” – mówi. „Mamy nadzieję, że możemy wykorzystać to jako odskocznię do innych sposobów poznawania cząsteczek”.
Badania te były finansowane głównie przez Narodowy Instytut Zdrowia (R01GM136981), a konstrukcję rezonatora wspierało Q-NEXT Quantum Center, Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Naukowe, Narodowe Centrum Badań nad Informacją Kwantową, pod numerem nagrody DE-FOA -0002253.