Anteny nanofotoniczne ujawniają mechanizmy chorób w nanoskali
Obserwowanie procesów biologicznych w żywej komórce jest jak poszukiwanie Świętego Graala w dziedzinie biologii molekularnej i komórkowej. Procesy te, obejmujące interakcje między cząsteczkami w nanoskali, jest niezwykle trudno zwizualizować przy użyciu obecnej technologii obrazowania. To samo dotyczy interakcji między białkami, kwasami nukleinowymi czy enzymami. „Obecna technologia ma wiele ograniczeń” – mówi dr Maria Garcia-Parajo, koordynator projektu NANO-VISTA (Advanced photonic antenna tools for biosensing and cellular nanoimaging) i Group Leader w hiszpańskim instytucie ICFO. „Przykładowo, niewiele wiemy o sposobie organizacji receptorów w błonie komórkowej. To niezwykle ważne zagadnienie, ponieważ komórki w naszym organizmie komunikują się ze sobą oraz ze środowiskiem zewnątrzkomórkowym poprzez liczne receptory umieszczone na powierzchni komórki umożliwiające im wykonywanie specjalnych funkcji”. Udowodniono również, że nieprawidłowe zmiany w organizacji i dynamice receptorów na powierzchni komórek przyczyniają się do występowania ogromnej liczby chorób, takich jak nowotwory, choroby neurologiczne i neurodegeneracyjne, zaburzenia autoimmunologiczne oraz infekcje patogenne. „Wizualizacja tych procesów w skali nanometrycznej oraz w różnych skalach czasowych w czasie rzeczywistym wymaga technik obrazowania o niezwykle wysokiej rozdzielczości” – kontynuuje dr Garcia-Parajo. Różne przykłady niezwykle wysokiej rozdzielczości. Dr Garcia-Parajo i jej zespół uważają, że rozwiązaniem są fotoniczne nanoanteny – nanometrycznej wielkości punkty odbierające światło (hot spoty), które mogą być wykorzystane do obrazowania próbki w skali ok. 20 nm i badania interakcji między cząsteczkami. Nie jest to jedyna droga do osiągnięcia takiej rozdzielczości – inne formy mikroskopii super-rozdzielczej opierają się na specyficznych etykietach fluorescencyjnych. Mogą jednak nie nadawać się do wszystkich zastosowań biologicznych – jest to ograniczenie, które nie dotyczy anten fotonicznych. Anteny te można wykorzystać w połączeniu z innymi rozwiązaniami, takimi jak spektroskopia korelacji fluorescencji, aby zapewnić mikrosekundową rozdzielczość. Chociaż właściwości fizyczne nanoanten zostały już dokładnie zbadane, projekt NANO-VISTA jest pierwszą udaną próbą wykorzystania ich w dziedzinie biologii dzięki innowacyjnym konstrukcjom. Dr Garcia-Parajo szczegółowo opisuje proces, dzięki któremu dokonano tego przełomowego odkrycia: „Opracowaliśmy nowe metody produkcji wielkoskalowych układów anten, aby zbadać liczne komórki w nanoskali, radząc sobie z ich heterogenicznością. Uwzględniliśmy konstrukcje, które dokładnie odtworzą wydajność optyczną anten, pozwolą na wyprodukowanie tysięcy anten na jednym podłożu, zapewnią możliwość ponownego użycia i mogą zostać wyprodukowane niskim kosztem. Na koniec połączyliśmy te nanostruktury z nowymi technikami spektroskopii fluorescencyjnej, aby zapewnić nie tylko wysoką rozdzielczość przestrzenną, ale także, co najważniejsze, niezwykle wysoką rozdzielczość czasową”. Wyniki demonstracji przeprowadzonych w ramach projektu były znakomite. Zespół przedstawił metodę wykrywania pojedynczych biomolekuł (DNA i różnych białek) w objętości zeptolitrów, wzmocnił sygnały fluorescencyjne z pojedynczych molekuł o czynniki 105-krotnie większe od sygnałów emitowanych przez pojedynczą molekułę przy wzbudzeniu światłem z konwencjonalnego mikroskopu konfokalnego, odkrył sprzężenie ekscytonowe w pojedynczych kompleksach zbierających światło i we współpracy z immunologami zbadał procesy adhezji i migracji komórek układu odpornościowego. Zainicjowano współpracę z kilkoma głównymi podmiotami z branży na całym świecie – w Stanach Zjednoczonych, Indiach, Wielkiej Brytanii i Hiszpanii. Następne działania: Wykorzystanie technologii opracowanej w ramach projektu NANO-VISTA w biologii błony komórkowej i sygnalizacji komórkowej, integracja ze standardowymi mikroskopami lub platformami do badań przesiewowych wysokiej przepustowości w celu szybkiego zbadania konkretnych przeciwciał, interakcji pomiędzy ligandami, a nawet opracowania leków. Produkty uboczne są obecnie przygotowywane do wprowadzenia na rynek w przyszłości, chociaż pełna komercjalizacja wszystkich rezultatów projektu wciąż stwarza pewne problemy. „Konsorcjum NANO-VISTA wciąż jest aktywne” – cieszy się dr Garcia Parajo. „W ramach projektu NANO-VISTA stworzyliśmy sposób na przejście do nanoskali z mikrosekundową rozdzielczością czasową. Teraz musimy wykorzystać te informacje do obrazowania pojedynczych komórek i populacji komórek w skali mikro i mezo. Mam nadzieję, że nowe źródła finansowania ze strony Komisji Europejskiej pozwolą spełnić to marzenie”.
Słowa kluczowe
NANO-VISTA, fotonika, nanoanteny, cząsteczki, żywa komórka, nanoobrazowanie, mikroskopia, biotechnologia, spektroskopia, anteny fotoniczne, nanostruktura
