Confezionare su misura l’interazione luce-molecole su scala nanometrica
Il trasferimento energetico di risonanza di fluorescenza (FRET) di Förster è uno dei metodi più popolari per misurare distanza, struttura e associazione tra le molecole su scala nanometrica. Tuttavia, esso non è affatto perfetto. La sua applicazione è seriamente limitata in molti campi delle scienze fisiche e analitiche, in particolare nella misurazione di una breve variazione di distanza, inferiore a 8 nanometri. Per ampliare l’utilizzo del FRET, il progetto EXTENDFRET, finanziato dall’UE, ha sviluppato un modo innovativo di usare la nanofotonica per personalizzare l’interazione luce-molecole su scala nanometrica. “Anche se la nanofotonica aveva consentito di ottenere vari successi nel controllo della proprietà di fluorescenza di singoli emettitori, prima della nostra ricerca la questione relativa alla possibilità o meno di usarla per potenziare il FRET era ancora aperta,” dice il coordinatore del progetto Jerome Wenger. “Risolvere questa questione era essenziale per sbloccare l’applicazione della nanofotonica per potenziare il processo del FRET ampiamente utilizzato nelle scienze biologiche e nelle biotecnologie.” Una dimostrazione inequivocabile Il trasferimento energetico tra molecole, un fenomeno essenziale per la fotosintesi, il fotovoltaico e la biotecnologia, è incentivato quando esse sono poste in un ambiente che confina la luce. L’obiettivo del progetto EXTENDFRET era quello di controllare e potenziare questo trasferimento energetico tra molecole utilizzando strutture ottiche incise su scala nanometrica. Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno effettuato degli esperimenti a livello di singola molecola, monitorando le emissioni sia del donatore che dell’accettore per un’ampia gamma di condizioni sperimentali. Ad esempio, essi hanno preparato coppie di molecole donatore e accettore collegate da DNA a doppio filamento rigido. Queste coppie sono state quindi inserite in aperture scavate in un uno strato d’oro con dimensioni su scala nanometrica. Misurando accuratamente le proprietà della radiazione emessa dalle coppie di molecole, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che il tasso del trasferimento energetico tra molecole è sei volte maggiore quando esse sono poste in una nanoapertura. EXTENDFRET fornisce una dimostrazione inequivocabile dell’influenza che l’ambiente fotonico ha sul tasso del FRET nelle nanostrutture plasmoniche. Nello specifico, questa ricerca ha portato a un significativo miglioramento del tasso del FRET, mostrando che la nanofotonica è particolarmente importante per migliorare il FRET in caso di grandi distanze donatore-accettore. “All’inizio del progetto si riteneva generalmente che fosse impossibile controllare il trasferimento energetico tra le molecole usando la nanofotonica,” afferma Wenger. “La nostra ricerca ha in unltima analisi dimostrato il contrario.” Nuove porte aperte Questi risultati promettenti hanno spianato una nuova strada per migliorare il processo del trasferimento energetico largamente utilizzato nelle scienze biologiche e nella biotecnologia, con nanostrutture ottiche che possono avere delle applicazioni per biosensori, fonti di luce e fotovoltaico. Ad esempio, usando il FRET a lunga distanza, i ricercatori possono adesso comprendere meglio la struttura pieghevole delle grandi molecole di DNA e proteine. “Questo migliorerà la comprensione dell’espressione e della regolazione genica, e migliorerà lo sviluppo di farmaci,” afferma Wegner. Da una parte, questi risultati stabiliscono chiaramente che il FRET può essere regolato con la nanofotonica, aprendo così la strada verso il miglioramento nanofotonico di applicazioni del FRET quali ad esempio il fotovoltaico, le fonti di luce organiche e la tecnologia dei biosensori. D’altra parte, la nuova osservazione dell’elevato miglioramento del FRET per grandi distanze tra donatore-accettore o per l’orientamento perpendicolare tra dipoli donatore e accettore fornisce un nuovo paradigma per studiare le strutture biochimiche con distanze donatore-accettore molto oltre il classico intervallo del FRET. Il progetto sta attualmente lavorando all’applicazione della sua prova del concetto in vista di applicazioni più biologicamente orientate, incluso lo studio delle dinamiche delle proteine per l’associazione molecolare e i cambiamenti strutturali. Inoltre, il progetto ha presentato la domanda per due brevetti nel campo della microscopia ottica.
Parole chiave
EXTENDFRET, FRET, nanofotonica, biotecnologia, scienze biologiche
