En el corazón del sistema inmunológico que protege nuestros cuerpos de enfermedades e invasores extraños se encuentra una vasta y compleja red de comunicaciones que involucra a millones de células. enviar y recibir señales químicas que pueden significar vida o muerte. En el corazón de esta vasta red de señalización celular se encuentran las interacciones entre miles de millones de proteínas y otras biomoléculas. Estas interacciones, Sucesivamente, están muy influenciados por el patrón espacial de las moléculas receptoras y de señalización. La capacidad de observar patrones espaciales de señalización en el sistema inmunológico y otros sistemas celulares a medida que evolucionan. y estudiar el impacto en las interacciones moleculares y, por último, comunicación celular, sería una herramienta fundamental en la lucha contra los trastornos inmunológicos y de otro tipo que conducen a una amplia gama de problemas de salud, incluido el cáncer. Una herramienta así está ahora a mano.

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad de California (UC) Berkeley, han desarrollado la primera aplicación práctica de nanoantenas ópticas en biología de membranas celulares. Un equipo científico dirigido por el químico Jay Groves ha desarrollado una técnica para unir membranas lipídicas artificiales con miles de millones de nanoantenas de oro "bowtie". A través del fenómeno conocido como "plasmónicos, "Estas nanoantenas pueden aumentar la intensidad de una señal óptica fluorescente o Raman de una proteína que pasa a través de un" punto caliente "plasmónico decenas de miles de veces sin que la proteína se toque.

"Nuestra técnica es mínimamente invasiva, ya que la mejora de las señales ópticas se logra sin necesidad de que las moléculas interactúen directamente con la nanoantena, "Dice Groves." Esta es una mejora importante con respecto a los métodos que se basan en la adsorción de moléculas directamente en antenas donde su estructura, orientación, y el comportamiento se puede alterar ".

Groves tiene nombramientos conjuntos con la División de Biociencias Físicas de Berkeley Lab y el Departamento de Química de UC Berkeley, y también es investigador del Instituto Médico Howard Hughes. Es el autor correspondiente de un artículo que reporta estos resultados en la revista. Nano letras . El artículo se titula "Seguimiento de una sola molécula en membranas compatibles con matrices de nanoantenas ópticas". Los coautores del artículo fueron Theo Lohmuller, Lars Iversen, Mark Schmidt, Christopher Rhodes, Hsiung-Lin Tu y Wan-Chen Lin.

Emisiones fluorescentes, en el que las biomoléculas de interés están marcadas con tintes que emiten fluorescencia cuando son estimuladas por la luz, y espectroscopía Raman, en el que la dispersión de la luz por vibraciones moleculares se utiliza para identificar y localizar biomoléculas, son técnicas de imágenes ópticas de caballo de batalla cuyo valor ha aumentado aún más con la aparición de plasmónicos. En plasmónicos, las ondas de luz se comprimen en áreas con dimensiones menores que la mitad de la longitud de onda de los fotones incidentes, lo que permite aplicar técnicas de imagen óptica a objetos a nanoescala como las biomoléculas. Partículas de oro de tamaño nanométrico en el

forma de triángulos que se emparejan en una formación de punta a punta, como una pajarita, pueden servir como antenas ópticas, capturar y concentrar ondas de luz en puntos calientes bien definidos, donde el efecto plasmónico se amplifica enormemente. Aunque el concepto está bien establecido, aplicarlo a estudios biomoleculares ha sido un desafío porque las matrices de partículas de oro deben fabricarse con un espaciado nanométrico bien definido, y las moléculas de interés deben entregarse a los puntos calientes plasmónicos.

"Podemos fabricar miles de millones de nanoantenas de oro en una membrana artificial mediante una combinación de litografía coloidal y procesamiento de plasma, "Dice Groves." El espaciado controlado de los espacios de nanoantenas se logra aprovechando el hecho de que las partículas de poliestireno se funden juntas en su punto de contacto durante el procesamiento del plasma. El resultado es un espaciado bien definido entre cada par de triángulos de oro en la matriz final con una distancia de punta a punta entre los nanotriangulos de oro vecinos que miden en el rango de 5 a 100 nanómetros ".

Hasta ahora, Groves dice:no ha sido posible desacoplar el tamaño de los nanotriangulos de oro, que determina su frecuencia de resonancia de plasmón superficial, desde la distancia de punta a punta entre las características individuales de las nanopartículas, que se encarga de potenciar el efecto plasmónico. Con su enfoque de litografía coloidal, Se utiliza una monocapa hexagonal autoensamblante de esferas de polímero para enmascarar un sustrato para la posterior deposición de las nanopartículas de oro. Cuando se quita la máscara coloidal, lo que queda son grandes conjuntos de nanopartículas de oro y triángulos sobre los que se puede formar la membrana artificial.

Las membranas artificiales únicas, que Groves y su grupo de investigación desarrollaron anteriormente, son otra clave del éxito de este último logro. Hecho de una bicapa fluida de moléculas lipídicas, estas membranas son las primeras plataformas biológicas que pueden combinar nanopatrones fijos con la movilidad de bicapas fluidas. Proporcionan una capacidad sin precedentes para el estudio de cómo los patrones espaciales de propiedades químicas y físicas en las superficies de las membranas influyen en el comportamiento de las células.

"Cuando incrustamos nuestras membranas artificiales con nanoantenas de oro, podemos rastrear las trayectorias de las proteínas individuales que se difunden libremente a medida que pasan secuencialmente y se ven reforzadas por los múltiples espacios entre los triángulos, "Dice Groves." Esto nos permite estudiar un sistema realista, como una celda, que puede involucrar miles de millones de moléculas, sin el atrapamiento estático de las moléculas ".

Como las moléculas de las células vivas se encuentran generalmente en un estado de movimiento perpetuo, A menudo es su movimiento y sus interacciones con otras moléculas, más que las posiciones estáticas, lo que determina sus funciones dentro de la célula. Groves dice que cualquier técnica que requiera la adsorción directa de una molécula de interés en una nanoantena elimina intrínsecamente esa molécula del conjunto funcional que es la esencia de su comportamiento natural. La técnica que él y sus coautores han desarrollado les permite observar biomoléculas individuales pero dentro del contexto de su comunidad circundante.

"The idea that optical nanoantennas can produce the kinds of enhanced signals we are observing has been known for years but this is the first time that nanoantennas have been fabricated into a fluid membrane so that we can observe every molecule in the system as it passes through the antenna array, " Groves says. "This is more than a proof-of-concept we've shown that we now have a useful new tool to add to our repertoire."