Dopasowanie interakcji między cząsteczką a światłem w nanoskali
Fluorescencyjne rezonansowe przeniesienie energii (Förster fluorescence resonance energy transfer, FRET) to jedna z najpopularniejszych metod stosowanych do pomiaru odległości, struktury i powiązań między cząsteczkami w nanoskali. Jednakże nie jest ona doskonała. Jej zastosowanie jest bardzo ograniczone w kilku dziedzinach fizyki i analityki, w szczególności w przypadku pomiaru krótkich odległości poniżej 8 nanometrów. W celu rozszerzenia możliwości zastosowania mechanizmu FRET, w ramach finansowanego przez UE projektu EXTENDFRET opracowano innowacyjny sposób wykorzystania nanofotoniki do dostosowania interakcji cząsteczka-światło w nanoskali. „Mimo że dzięki fotonice udało się kontrolować właściwości fluorescencyjne pojedynczych emiterów, przed naszymi badaniami nadal nie było wiadomo, czy możliwe jest usprawnienie mechanizmu FRET” – mówi Jerome Wenger, koordynator projektu. „Rozwiązanie tej kwestii było kluczowe, aby można było wykorzystać nanofotonikę w celu usprawnienia procesu FRET, który ma szerokie zastosowanie w sektorze biotechnologii i nauk biologicznych”. Jednoznaczna demonstracja Transfer energii między cząsteczkami – zjawisko mające fundamentalne znaczenie dla fotosyntezy, fotowoltaiki i biotechnologii – zachodzi, gdy cząstki te znajdują się w środowisku ograniczającym światło. Celem projektu EXTENDED było kontrolowanie i usprawnienie transferu energii między cząsteczkami za pomocą struktur optycznych stworzonych w nanoskali. Aby to osiągnąć, naukowcy przeprowadzili badania na poziomie pojedynczej cząsteczki, monitorując emisje donora i akceptora w różnorodnych warunkach eksperymentalnych. Przygotowali między innymi pary donorów i akceptorów energii połączone sztywnym dwuniciowym DNA. Następnie pary te włożono do otworów wykonanych w złotej folii o wymiarach w nanoskali. Poprzez dokładne zmierzenie właściwości radiacyjnych par cząsteczek naukowcy byli w stanie wykazać, że szybkość przenoszenia energii między cząsteczkami jest sześciokrotnie większa, gdy umieści się ją w nanootworze. Naukowcy uczestniczący w projekcie EXTENDFRET w sposób jednoznaczny zademonstrowali wpływ środowiska fotonicznego na szybkość mechanizmu FRET w nanostrukturach plazmonicznych. Projekt przyczynił się do znacznego zwiększenia szybkości mechanizmu FRET, wykazując, że nanofotonika odgrywa szczególne znaczenie dla usprawnienia mechanizmu FRET w przypadku dużych odległości pomiędzy donorem a akceptorem. „Na początku projektu panowało powszechne przekonanie, że nie można kontrolować przenoszenia energii między cząsteczkami przy wykorzystaniu nanofotoniki” – mówi Wenger. „Nasze badanie bezapelacyjnie wykazało, że można”. Nowe możliwości Te obiecujące wyniki otworzyły nowe możliwości usprawnienia transferu energii mającego szerokie zastosowanie w naukach biologicznych i biotechnologii dzięki nanostrukturom optycznym, które mogą być wykorzystane w czujnikach biologicznych, źródłach światła i fotowoltaice. Przykładowo, poprzez zastosowanie mechanizmu FRET w przypadku dużych odległości, naukowcy mogą lepiej zrozumieć strukturę dużych cząstek białka i DNA. „Dzięki temu będzie można lepiej zrozumieć regulację ekspresji genów oraz stworzyć lepsze leki” – mówi Wegner. Z jednej strony wyniki wyraźnie pokazują, że mechanizm FRET można odpowiednio dostosować dzięki nanofotonice, co pozwala na rozwój takich zastosowań mechanizmu FRET, jak ogniwa fotowoltaiczne, organiczne źródła światła, czy bioczujniki. Z drugiej strony, dzięki nowej obserwacji zwiększania szybkości mechanizmu FRET w przypadku dużej odległości między donorem a akceptorem lub orientacji prostopadłej między dipolami donora i akceptora można na nowo zbadać struktury biochemiczne o odległościach między donorem a akceptorem, które znacznie wykraczają poza klasyczny zakres odległości mechanizmu FRET. Działania projektu skupiają się obecnie na zastosowaniu rezultatów projektu w bardziej biologicznych obszarach. Prowadzone są między innymi badania dynamiki białek związane z asocjacją cząsteczek i zmianami strukturalnymi. W ramach projektu zgłoszono również dwa patenty w dziedzinie mikroskopii optycznej.
Słowa kluczowe
EXTENDFRET, FRET, nanofotonika, biotechnologia, nauki biologiczne
