Наноантени багаторазово посилили яскравість світіння живих клітин — це допоможе побачити активність мозку і не лише

Вчені Технологічного університету Делфта (Delft University of Technology) розробили плазмонні наноантени, які здатні посилювати флуоресценцію білків безпосередньо в живих клітинах ссавців. Це важливо для спостереження за активністю живих організмів у режимі реального часу, що дозволяє вивчати саме життя та його процеси в усьому різноманітті.

Джерело зображення: Delft University of Technology

Вже давно створені генномодифіковані білки, які можуть світитися в живих клітинах просто так, а також у відповідь на хімічну та електричну активність клітин. Такі білки, наприклад, синтезуються в клітинах головного мозку мишей. У такому випадку за світінням білків можна відстежувати реакцію мишей на подразники без вживлення в їхній мозок імплантів і зондів, що менше травмує тварин і дає більше інформації про їхню поведінку. Але дослідникам часто не вистачає яскравості такого світіння та чутливості білків до електричних імпульсів нервової системи, щоб візуалізація процесів була чіткішою та повнішою.

У новій роботі вчені показали, що можна створити своєрідні наноантени, розташування яких у безпосередній близькості до білків збільшує інтенсивність їхньої флуоресценції до шести разів, причому клітини залишаються живими і продовжують нормально функціонувати. Раніше подібні наноантени застосовувалися для посилення світіння в неживому середовищі, але ідея виявилася працездатною також для органіки.

В якості наноантен дослідники використовували золоті нано зірки — плазмонні наночастинки зі складною геометрією, здатні концентрувати електромагнітне поле в нанометровій області навколо поверхні. При освітленні лазером у частинці збуджуються локалізовані поверхневі плазмони, які створюють сильне оптичне ближнє поле. Якщо флуоресцентний білок виявляється достатньо близько до такої структури, змінюється його взаємодія зі світлом: збільшується ефективність збудження та швидкість випромінювання фотонів.

Ключовою інженерною задачею було підібрати форму і розміри частинок, забезпечити їхню хімічну стабільність і досягти правильного розташування відносно мембранних білків. Саме контрольоване нанометрове сполучення антени з флуорофором дозволило перенести добре відомий ефект посилення флуоресценції одиничних молекул у живу клітину, не завдавши їй шкоди.

Однак найбільш несподіваним результатом стало не лише збільшення яскравості. Білок QuasAr6a став приблизно в десять разів швидше реагувати на зміни напруги на мембрані. Дослідники пов'язують це з тим, що плазмонна структура впливає не просто на інтенсивність світіння, а на фотохімічний цикл самого білка. Вчені вважають, що посилене оптичне ближнє поле змінює швидкості переходів між станами білка, одночасно підвищуючи швидкість випромінювання фотонів і прискорюючи його динаміку.

Останнє вкрай важливо для реєстрації швидких сигналів у синапсах, на що у генномодифікованого білка не вистачало роздільної здатності за часом. Усі попередні роботи з модифікації генів світного білка так і не змогли підвищити його яскравість і роздільну здатність, з чим легко впоралися наноантени. Інженери перемогли генетиків. Але користь від цього величезна — високочутливий комплекс з білка та наноантени дозволить з більшою деталізацією простежити за активністю головного мозку ссавців (мишей) і навіть за органами глибоко в тканинах гризунів, що раніше було важко здійснити, але з новими наноантенами стане посильним завданням.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки