Incluso la molécula más pequeña puede contar una gran historia. Por ejemplo, La observación de una sola molécula puede arrojar luz sobre los procesos biológicos subyacentes en el cuerpo humano. De hecho, Los procedimientos de imágenes moleculares, que no son invasivos ni dolorosos, se utilizan para diagnosticar y controlar el tratamiento de COVID-19. cáncer, enfermedad del corazón, y otras condiciones de salud graves.

Una de las técnicas más prometedoras para la obtención de imágenes de una sola molécula es la espectroscopia Raman de superficie mejorada, o SERS. Al enfocar un rayo láser en la muestra, SERS detecta cambios en las moléculas en función de cómo dispersan la luz, y pueden identificar moléculas específicas a través de sus espectros Raman únicos:una especie de huella molecular. Una ventaja de SERS es que no es destructivo y requiere una preparación mínima de la muestra, ya que no requiere de químicos añadidos o modificaciones para tomar medidas.

En un estudio publicado recientemente en Materiales avanzados , Los ingenieros de la Facultad de Ingeniería Whiting de Johns Hopkins describen un nanomaterial novedoso que permite la detección de una sola molécula rápida y altamente sensible utilizando SERS. Su invención podría allanar el camino para pruebas de diagnóstico más rápidas y precisas.

Para crear su nuevo material, llamada plantilla de ADN silicificado para baliza óptica Raman o ADN-ESTROBOSCÓPICO, un equipo dirigido por Ishan Barman, un profesor asociado de ingeniería mecánica, cavidades ópticas diseñadas de solo unos pocos nanómetros o menos. En imágenes SERS, estas cavidades plasmónicas "atrapan" rayos de luz convirtiendo su radiación electromagnética en ondas de electrones. Las diminutas nanocavidades plasmónicas del equipo de Barman aumentan exponencialmente la densidad de esta energía electromagnética atrapada, potencialmente permitiendo la obtención de imágenes biomoleculares cuantitativas a concentraciones ultrabajas.

"La eficacia de las mediciones de SERS depende de la arquitectura y la reproducibilidad de las sondas a nanoescala. Si se diseñan y realizan con éxito, Nuestras estructuras DNA-STROBE ofrecen tiempo real, molécula única, detección óptica sin etiquetas que es casi imposible de lograr con cualquier plataforma existente, "dijo Barman, autor correspondiente del artículo.

Los coautores del estudio incluyen a Le Liang y Peng Zheng, ambos becarios postdoctorales en la Escuela de Ingeniería de Johns Hopkins Whiting.

Según Barman, Las mediciones de SERS pueden ofrecer información sin precedentes a nanoescala, que sigue siendo un desafío para los métodos de imagen convencionales. La intensidad de la señal SERS depende del tamaño de los huecos a nanoescala, conocido como "hotspots". Debido a que estas nanocavidades confinan la energía luminosa, cuanto más pequeños son los huecos, cuanto mayor sea la señal SERS. Sin embargo, Las nanocavidades de este pequeño tamaño son extremadamente difíciles (y caras) de fabricar de manera programable y reproducible. él explicó.

El equipo de investigación recurrió a la nanotecnología del ADN para encontrar una respuesta. Usando ADN como andamios, el equipo construyó nanocavidades sintéticas que tienen el tamaño perfecto para convertirse en puntos calientes. Pero dada la naturaleza elástica del ADN, especialmente su propensión a doblarse y doblarse, el tamaño de las estructuras ESTROBOSCÓPICAS de ADN formadas podría cambiar, potencialmente debilitando la señal SERS. Por lo tanto, el equipo encapsuló las estructuras DNA-STROBE con una capa protectora de sílice ultrafina para evitar tales fluctuaciones.

El estudio informó dos hallazgos significativos. Primero, Los investigadores demostraron que podían fabricar nanocavidades ultrapequeñas con una mejora electromagnética grande y bien controlada de la señal SERS. Segundo, su enfoque permite estudios de una sola molécula incluso en muestras biológicas con altas concentraciones de moléculas, un obstáculo en la investigación anterior.

"Estábamos emocionados de observar que DNA-STROBE mejoraba la señal Raman, y era lo suficientemente potente como para permitir la detección en tiempo real y la obtención de imágenes de superresolución. Sin duda, esto abrirá nuevas vías para el uso del análisis SERS, particularmente en aplicaciones de detección e imágenes donde agregar agentes de contraste y tintes no es deseable o práctico, "dijo Liang.

El siguiente paso, los investigadores dicen, será desarrollar un conjunto de herramientas analíticas derivadas de DNA-STROBE a medida para una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, el equipo cree que su enfoque ofrece una plataforma de vanguardia para la detección ultrasensible de biomarcadores de cáncer circulantes.

"Con la personalización adecuada, el DNA-STROBE podría permitir el progreso en una amplia variedad de campos que van desde el diagnóstico clínico y la investigación biomédica básica hasta la detección ambiental y la manipulación de moléculas individuales, "agrega Barman.