Ser capaz de rastrear biomoléculas individuales y observarlas en el trabajo es el sueño de todo bioquímico. Esto permitiría a los científicos investigar en detalle y comprender mejor el funcionamiento de las nanomáquinas de la vida. como los ribosomas y las ADN polimerasas. Los investigadores del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz han dado un gran paso hacia este objetivo. Utilizando una microestructura óptica y nanopartículas de oro, han amplificado la interacción de la luz con el ADN hasta el punto de que ahora pueden rastrear interacciones entre segmentos de moléculas de ADN individuales. Al hacerlo, se han acercado a los límites de lo físicamente posible. Su biosensor óptico para moléculas individuales sin etiquetar también podría ser un gran avance en el desarrollo de biochips:los mini laboratorios del tamaño de una uña en dispositivos analíticos móviles podrían analizar una gota de sangre para detectar múltiples enfermedades simultáneamente o facilitar análisis ambientales completos con muy poco material de muestra.

Nuestra comprensión de los procesos fundamentales de la vida fue posible en primer lugar gracias al conocimiento de cómo las biomoléculas individuales interactúan entre sí. En celdas, nanomáquinas como los ribosomas y las ADN polimerasas unen moléculas individuales para formar estructuras biológicas complejas como proteínas y moléculas de ADN, los depósitos de información genética. Aunque es posible investigar la interacción de moléculas individuales con enzimas o ribosomas, las moléculas a menudo tienen que estar etiquetadas, por ejemplo con marcadores fluorescentes, para poder observarlos. Sin embargo, tal marcaje solo es posible con ciertas moléculas, y puede interferir con la función de las nanomáquinas biológicas. Aunque la luz se puede utilizar para detectar biomoléculas no etiquetadas, el enfoque no se puede utilizar para detectar moléculas de ADN individuales, ya que la interacción de las ondas de luz con la molécula es demasiado débil.

Un equipo de físicos encabezado por Frank Vollmer, del Laboratorio de Nanofotónica y Biosensores del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz, ha logrado amplificar la interacción de la luz con las moléculas de ADN en la medida en que su biosensor fotónico se puede utilizar para observar moléculas sin marcar y sus interacciones.

Una microesfera se convierte en una galería susurrante óptica

Lograr esto, los físicos usan perlas de vidrio de alrededor de 60 micrómetros de diámetro, sobre el grosor de un cabello humano, y nanocables de oro aprox. 12 nanómetros de diámetro y 42 nanómetros de longitud. Por lo tanto, el alambre de oro tiene solo una diezmilésima parte del grosor de un cabello. La microesfera y el nanoalambre amplifican la interacción entre la luz y las moléculas. Con la ayuda de un prisma, los investigadores proyectan luz láser en la microesfera. La luz se refleja repetidamente en la superficie interna de la esfera hasta que, por último, se propaga a lo largo de la superficie interior, similar a la forma en que las ondas sonoras viajan a lo largo de las paredes de un recinto circular o galería susurrante:cuando alguien susurra en un extremo de la galería abovedada o abovedada, una persona en el extremo opuesto puede escucharlo en el otro extremo, incluso en una distancia inusualmente larga. Esto se debe a que las ondas sonoras no pierden intensidad a medida que viajan.

Si una molécula se fija a la superficie de la cuenta de vidrio, el rayo de luz lo pasa más de cien mil veces. Debido a que la onda de luz siempre se extiende algo fuera de la microesfera, se produce una interacción entre él y la molécula. Esta interacción se amplifica en gran medida debido al contacto frecuente entre la luz y la molécula. Sin embargo, la interacción es todavía demasiado débil para registrar moléculas individuales.

Por lo tanto, Vollmer y sus colegas fijan un nanoalambre a la superficie de la cuenta de vidrio. La luz que pasa zumbando genera plasmones:oscilaciones colectivas de electrones. "Los plasmones extraen la onda de luz un poco más de la microesfera de vidrio, "Explica Vollmer. Esto amplifica la intensidad de campo de la onda de luz en un factor de más de mil. La ganancia en la señal es suficiente para detectar biomoléculas individuales, como fragmentos de ADN. Los investigadores de Erlangen hicieron precisamente eso. Adjuntaron un fragmento de ADN de una sola hebra, que siempre se presenta en forma de doble hebra en el núcleo celular, al nanoalambre montado en la microesfera. Cuando una coincidencia, es decir, complementario, El fragmento de ADN se une al "cebo" del nanoalambre, la longitud de onda de la luz cambia y es amplificada por la microesfera y el nanoalambre. Este cambio se puede medir.

Las diferentes secciones de la hebra se pueden distinguir por su comportamiento de unión.

Sin embargo, the physicists used a shorter DNA fragment than is usual in similar procedures. Like a short piece of tape on a wall, short DNA fragments do not adhere strongly to each other, so that the strands separate again relatively quickly. Por eso, new fragments are able to bind repeatedly to the molecular "bait", including fragments that are not fully complementary. De este modo, it is possible to investigate how long the DNA fragments interact with each other and how often the "bait" captures a segment. "This approach makes it possible to use a single DNA receptor and to follow its successive interactions with various DNA segments in the sample solution, " says Frank Vollmer. "Based on the duration and frequency of the measured interactions, it is then possible to detect specific unlabelled DNA molecules."

The researchers have tested their optical biosensor with a sample containing both an exactly matching DNA fragment and a fragment that was not perfectly complementary. They were able to distinguish the two fragments based on their different kinetics.

Even in nature, the bonds formed between molecules and nanomachines are fleeting. Thanks to the new method, it is now possible to explore such natural kinetics in greater detail, says Frank Vollmer. "More research is needed, " says the physicist, who is looking forward to tackling future challenges.

The researchers in Erlangen are already planning future projects. "It's possible to observe, por ejemplo, how an enzyme such as DNA polymerase synthesizes DNA, " explains Vollmer. The scientists would also like to integrate their photonic biodetector into optical microchips for use in clinical diagnostics.