Bruce Cohen (rt) en el laboratorio con la pasante Katherine Chuang.
(Phys.org) - Imagine rastrear a un ciervo a través de un bosque colocando un transmisor de radio en su oído y monitoreando la ubicación del ciervo de forma remota. Ahora imagina que el transmisor es del tamaño de una casa, y comprende el problema que los investigadores pueden encontrar cuando intentan usar nanopartículas para rastrear proteínas en células vivas.
Comprender cómo se mueve una proteína alrededor de una célula ayuda a los investigadores a comprender la función de la proteína y los mecanismos celulares para producir y procesar proteínas. Esta información también ayuda a los investigadores a estudiar enfermedades, lo que a nivel celular puede significar que una proteína está funcionando mal, deja de hacerse, o se envía a la parte incorrecta de la celda. Pero las sondas de nanopartículas que son demasiado grandes pueden interrumpir las actividades normales de una proteína.
Ahora, un equipo de científicos dirigido por Bruce Cohen de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, un centro de nanociencia del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ha descubierto cómo hacer crecer nanocristales emisores de luz lo suficientemente pequeños como para no interrumpir la actividad celular, pero lo suficientemente brillantes como para obtener imágenes de uno en uno. Cohen es autor correspondiente de un artículo del 16 de febrero de 2012 edición de ACS Nano describiendo este trabajo titulado, "Síntesis controlada e imagen de una sola partícula de Bright, Nanocristales de conversión ascendente dopados con lantánidos de menos de 10 nm ”. Los coautores son Alexis Ostrowski, Emory Chan, Daniel Gargas, Elan Katz, Gang Han, James Schuck, y Delia Milliron.
“Los científicos han estado intentando durante años estudiar el comportamiento de las proteínas etiquetándolas con sondas emisoras de luz, —Dijo Cohen. “Pero el problema es encontrar el tipo de sonda adecuado. Nuestro enfoque es hacer que las sondas de nanopartículas convertidoras sean lo suficientemente pequeñas como para que no alteren el comportamiento de las proteínas ".
Haciendo una mejor sonda
En el pasado, los investigadores utilizaron moléculas fluorescentes o puntos cuánticos como sondas. Utilizando ópticas y microscopios de última generación, los investigadores pueden resolver la luz proveniente de moléculas individuales unidas a proteínas, que les dice dónde está la proteína en una célula. Las moléculas sonda en estos experimentos tienden a degradarse o "fotoblanquearse" rápidamente, limitando a los investigadores a solo unos segundos de imágenes continuas o una serie de imágenes tomadas con segundos de diferencia. Las sondas alternativas, puntos cuánticos, sufren menos de fotoblanqueo, sino que parpadean y se apagan, limitando igualmente su utilidad como sondas.
El equipo de Foundry quería evitar el parpadeo y la decoloración, por lo que se volvieron nanocristales de fluoruro de itrio y sodio (NaYF 4 ) con trazas de elementos lantánidos iterbio y erbio, cuales, ellos descubrieron, emitir brillante, luz fija ideal para bioimagen. Más importante, estos nanocristales "upconvert" la luz, absorbiendo fotones de baja energía y reemitiéndolos a energías más altas.
“Normalmente, cuando algo fluorescente absorbe luz, emite luz con una energía ligeramente menor. La conversión ascendente va al revés, aumentando realmente la energía de la luz que se emite, —Dijo Cohen. "En nuestro caso, estamos entusiasmados con una luz de baja energía, infrarrojo cercano (más allá del rojo en el espectro visible), y luego los nanocristales emiten luz en el rango visible, como verde o rojo, que en realidad es más alta en energía ".
La ventaja de la conversión ascendente de nanocristales es que las células no convierten la luz por sí mismas. Normalmente, cuando los científicos obtienen imágenes de una célula utilizando sondas moleculares, utilizan luz de longitud de onda visible tanto para excitar como para crear imágenes. Desafortunadamente, muchas cosas en la célula también reemiten luz absorbida en estas longitudes de onda, lo que crea ruido de fondo en la imagen y obliga a los científicos a utilizar más sondas y fuentes de luz más brillantes. Con nanocristales de conversión ascendente, los investigadores pueden estimular suavemente con luz infrarroja y mirar la luz visible de sondas individuales que se destacan claramente sobre un fondo oscuro.
“La otra ventaja de la conversión ascendente de nanocristales es que la luz del infrarrojo cercano es mucho menos dañina para las células que, decir, luz visible o ultravioleta, ”Dijo Cohen. “Eso significa que cuando hacemos estos experimentos de imágenes muy largos usando intensos poderes de luz para ver moléculas individuales, estamos usando longitudes de onda que son bastante benignas para las células ".
Una solución combinatoria
Nanocristales de NaYF 4 puede formarse en dos geometrías diferentes llamadas alfa y beta. Los nanocristales de fase beta son más eficientes en la conversión ascendente y, por lo tanto, mejores para la bioimagen. pero también son más difíciles de cultivar. Con el fin de precisar los parámetros de crecimiento para obtener beta-NaYF reproducible 4 nanocristales, el equipo utilizó el robot WANDA de Molecular Foundry, la estación de trabajo para el descubrimiento y análisis automatizados de nanomateriales, desarrollado por Emory Chan y Delia Milliron de Berkeley Lab.
“Nada de esto sería posible sin poder hacer lo que en Foundry llamamos nanociencia combinatoria. Básicamente, eso significa ejecutar muchas reacciones diferentes en WANDA para aprender a controlar el tamaño o el color de las nanopartículas, ”Dijo Cohen. "Hemos realizado miles de reacciones diferentes para aprender a cultivar estas cosas".
Nanopartículas más pequeñas significan menos luz, por lo que el equipo tuvo que encontrar el punto óptimo:
¿Qué tan pequeños podrían hacerlos y aún poder obtener imágenes de nanocristales individuales en un sistema vivo? "Esa es una de las cosas buenas de tener este control es que no solo podemos reducirlos a, decir, 5 nanómetros, pero también conocemos las condiciones para hacerlos más grandes si necesitamos hacerlos más brillantes, —Dijo Cohen.
Para ayudar a comprender la geometría de sus nanocristales, el coautor James Schuck le pidió a un becario de verano que hiciera un modelo informático de la estructura del cristal. Andrew Mueller, un estudiante de secundaria de la escuela Vistamar en Los Ángeles, Sin embargo, fue mucho más allá de una simple estructura de cristal.
"Comencé simplemente juntando formas según lo que había en la literatura para el cristal, ”Dijo Mueller. "Luego quise mostrar cómo se veía en un nanocristal, así que moví la cámara alrededor de la estructura y hice una panorámica para mostrar cómo los átomos se unen en un nanocristal". fotón.
"El video es una buena respuesta a la pregunta, ¿Qué es un nanocristal? ”dijo Cohen. “Puedes ver que en realidad son solo unos pocos cientos o quizás un par de miles de átomos en un nanocristal, arreglado en pequeño, patrones regulares ".
Próximo, El equipo quiere poner en acción los nanocristales de conversión ascendente y, de hecho, mapear las proteínas individuales que se mueven a través de una célula. "Una de las cosas que nos gustaría estudiar es cómo se unen dos neuronas, cómo dos células cerebrales se unen para formar una sinapsis:los espacios entre las neuronas responsables de toda la actividad cerebral, —Dijo Cohen. "Se sabe que hay ciertos pares de proteínas que se unen a partir de dos neuronas y se encuentran entre sí y forman una sinapsis, pero la pregunta es:¿cuántos de esos necesitas? ¿Cuántos pares de proteínas? ¿Es suficiente una interacción para que se forme una sinapsis? ¿Se invierten? ¿Etcétera? Ahora que sabemos cómo fabricar exactamente las nanopartículas que queremos, el siguiente paso es probarlos en una celda ".
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.
