Siempre es bueno cuando tu intuición resulta ser la correcta, pero los científicos de la Universidad de Rice que estudiaban proteínas y partículas tenían más "razón" de lo que esperaban.

Los químicos de arroz Christy Landes y Stephan Link y el autor principal y becario postdoctoral de Smalley-Curl, Qingfeng Zhang, informaron esta semana en Ciencias que la albúmina de suero bovino (BSA), una proteína de emisión estándar en la experimentación de laboratorio de nano-bio, es propenso a empujar nanobarras de oro en ensamblajes quirales diestros, mientras produce señales plasmónicas quirales para coincidir.

El resultado fue una sorpresa para los investigadores que se propusieron desenredar las misteriosas interacciones en mezclas de BSA y nanobarras de oro:la agregación de nanopartículas metálicas en ensamblajes quirales, quiralidad de proteínas, y las propiedades plasmónicas resultantes. La luz activa mezclas de partículas y proteínas para dispersar la luz polarizada, pero hasta ahora los investigadores no han sabido qué interacciones dentro de la mezcla eran responsables de la señal y, más importante para futuras aplicaciones de detección, si podrían refinarse.

El trabajo insinúa que puede ser posible sentir la mano, o quiralidad, de proteínas individuales, una bendición potencial para las compañías farmacéuticas que requieren pureza de medicamentos. Una molécula con la quiralidad correcta puede salvar una vida, mientras que la misma molécula de quiralidad opuesta puede ser altamente tóxica.

Los experimentos de Rice revelaron quiralidad multinivel en la forma en que las proteínas BSA incitaban a las partículas de 100 nanómetros de largo a alinearse y en cómo los plasmones de las partículas respondían a la luz en presencia de proteínas mucho más pequeñas. (Los plasmones son ondas de electrones resonantes que se ondulan a lo largo de la superficie de una partícula de metal cuando se activan con la luz).

La respuesta se midió como dicroísmo circular (CD), que es una forma de medir si la rotación del campo eléctrico de una onda de luz tiene una interacción preferencial con el material en el sentido de las agujas del reloj (derecha) o en sentido contrario a las agujas del reloj (izquierda).

Las señales de CD suelen ser débiles, pero aún ayudan a caracterizar la conformación promedio de los conjuntos de proteínas. En el estudio de Rice, Los plasmones actuaron como antenas para amplificar la CD de las proteínas quirales adsorbidas en la superficie, cambiar la señal del ultravioleta al visible, denominado CD acoplado a plasmón.

Link dijo que previamente se había observado CD acoplado a plasmón para mezclas de nanopartículas individuales, agregados y moléculas quirales, pero ningún estudio hasta ahora reveló si todas las moléculas y nanopartículas contribuyeron por igual a la señal.

No lo hacen en este caso. El estudio reveló que solo los complejos agregados de nanobarras y proteínas producen una señal de CD, causada tanto por proteínas en los espacios entre nanopartículas como por conjuntos de nanopartículas quirales.

Fue una completa sorpresa, Landes dijo:que las proteínas dirigían el ensamblaje de nanobarras quirales de tal manera que la lateralidad del ensamblaje coincidía con la lateralidad de las proteínas. "Estábamos tratando de probar una hipótesis sobre el origen de la señal quiral que otras personas han informado en estudios de conjuntos de nanopartículas, ", dijo." ¿Es de nanoestructuras quirales? ¿Es de la proteína? Y descubrimos que son ambos.

"Además, la biomolécula de proteína con una mano preferencial induce esa mano en agregados de nanovarillas mucho más grandes, ", Dijo Landes." Ese fue el descubrimiento que no esperábamos ".

Link explicó que la quiralidad de las nanovarillas es una cuestión de posicionamiento. "Dos nanobarras perpendiculares son aquirales, ", dijo." Si son paralelos, son aquirales. Pero si están alineados en otros ángulos, son quirales. La dificultad fue diseñar un experimento para determinar de dónde proviene el CD cuando tienes mezclas de proteínas, nanovarillas y agregados aquirales y quirales ".

Usando una nueva técnica desarrollada en el laboratorio de Link llamada espectroscopia de dispersión diferencial circular (CDS) de una sola partícula, los investigadores confirmaron que solo los complejos agregados de nanovarillas-BSA exhibían quiralidad. Cuando los agregados se excitaron con luz visible, el efecto de antena de los puntos calientes plasmónicos amplificó la respuesta quiral normalmente débil de las proteínas en los espacios entre partículas.

Clave de su éxito, Landes dijo:fue un programa de imágenes personalizado del estudiante graduado de Rice y coautor Rashad Baiyasi que les permitió identificar partículas individuales y pequeños agregados entre las muestras a nanoescala y luego relacionar la espectroscopia con los puntos calientes y el orden preferencial.

Los sabáticos de primavera para Landes y Link también resultaron ser el momento perfecto para el proyecto, ya que llamaron la atención de la coautora Jennifer Dionne, director del Stanford Photonics Research Center y especialista en microscopía electrónica criogénica. Dionne demostró que congelar las soluciones de partículas y proteínas permitiría a los investigadores ver directamente cómo se alinean las partículas en 3-D.

Eso ayudó a eliminar cualquier incertidumbre de que aplanar los ensamblajes quirales en una superficie estaba cambiando la señal.

En otro experimento, los investigadores reemplazaron BSA con sal de mesa disuelta para ver cómo reaccionaban las partículas. Descubrieron que las nanovarillas se agregarían, pero en una mezcla de arreglos aquirales y quirales que tienen la misma cantidad de especies zurdas y diestras sin una preferencia general por la mano, y por lo tanto sin una señal de CD de conjunto. "Confirmó que BSA sesga la formación de una cierta lateralidad de nanoestructuras, ", Dijo Link." Todavía no sabemos por qué o cuán general es este fenómeno ".

Landes dijo que los investigadores están "a unos 14 pasos" de juzgar la quiralidad de una sola proteína. Si eso es posible, dijo que el descubrimiento de Rice puede proporcionar el único camino hacia la detección sin etiquetas de conformaciones de proteínas individuales. Eso tiene un valor más allá de toda medida para los químicos farmacéuticos que luchan por crear lotes de proteínas con una habilidad especial, un factor crítico en el diseño de fármacos.

"El sueño final tiene dos partes:una es que podemos detectar conformaciones de proteínas individuales de forma dinámica, y la otra es que podemos hacerlo dentro de tejido vivo, ", Dijo Landes." No hay forma de que puedas usar luz ultravioleta (invisible) para hacer eso. La única forma de visualizar el interior de algo vivo, una célula o un animal, sería cambiar esa luz al rojo, como lo hemos hecho en estos experimentos ".