Los físicos del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL) han logrado seguir desarrollando una estructura fotónica conocida en óptica cuántica (la antena óptica plana) para su uso en medios acuosos para monitorear procesos dinámicos. Esto permite observar los cambios conformacionales de biomoléculas individuales con la mayor resolución temporal.

Para lograr esta resolución, la llamada "antena optofluídica" recoge los fotones emitidos por moléculas fluorescentes individuales con aproximadamente un 85% de eficiencia. Con una eficiencia tan alta, los investigadores pueden lograr una resolución temporal del orden de los microsegundos. El dispositivo se puede integrar fácilmente en muchas configuraciones de microscopía existentes y agrega otra herramienta que proporciona una alta resolución temporal en el laboratorio.

Estudiar la complicada dinámica interna de biomoléculas en un entorno líquido con resolución de una sola molécula es de gran interés para las ciencias biológicas.

Las mediciones de fluorescencia son actualmente la técnica fundamental para descifrar procesos dinámicos rápidos y lentos. Aquí, se marcan secciones especiales de las biomoléculas con moléculas de tinte fluorescente. Cuando se excitan con luz láser, los cambios en su posición entre sí se detectan midiendo los fotones emitidos. Sin embargo, la metodología de recopilación limita la cantidad de fotones de fluorescencia que se pueden registrar por intervalo de tiempo, lo que restringe la resolución temporal.

En el trabajo, publicado en Nature Communications , el equipo dirigido por el profesor Stephan Götzinger y el profesor Vahid Sandoghdar muestra un método de medición completamente nuevo y altamente eficiente que se basa en estructuras conocidas de la óptica cuántica de estado sólido.

Los físicos desarrollaron el concepto de antena óptica plana hace aproximadamente 10 años y, a diferencia de las antenas ópticas convencionales, se puede fabricar una antena plana sin nanoestructuras metálicas. Mediante una modificación inteligente, las nuevas antenas optofluídicas son capaces de recolectar fotones emitidos por una sola biomolécula en solución con una eficiencia extremadamente alta (85%).

La antena consta de un sustrato de vidrio y una capa de agua de varios cientos de nanómetros de espesor que contiene las biomoléculas que se van a examinar. La fina capa de agua se crea mediante una micropipeta colocada a sólo unos cientos de nanómetros por encima del sustrato. Aplicando una presión definida se controla la forma del menisco de agua en la pipeta.

El límite axial de la capa de agua obliga a las moléculas a difundirse a través del centro del foco láser y, por tanto, aumenta el llamado brillo. La antena aumenta aproximadamente cinco veces la señal de fluorescencia de las moléculas. Al mismo tiempo, la interfaz agua-aire ralentiza la difusión de las moléculas, mientras que la geometría de la antena aumenta la probabilidad de que una molécula vuelva a centrarse.

Los científicos del MPL demuestran el rendimiento de la antena optofluídica junto con el grupo del profesor Claus Seidel, de la Universidad de Düsseldorf, examinando el cambio en la conformidad de un ADN específicamente dispuesto:la unión de cuatro vías del ADN.

Dos de las patas de la unión están marcadas con un par de transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET), donde el número de fotones emitidos por cada uno de los dos socios FRET cambia con la distancia entre las dos patas. Utilizando trayectorias FRET, los investigadores pudieron demostrar que no se produce un estado conformacional sospechoso y proporcionar un límite superior para su vida útil. La nueva antena puede rastrear la dinámica del cruce de cuatro vías del ADN con una resolución temporal de sólo unos pocos microsegundos.

"Nuestra antena optofluídica funciona muy bien debido a la eficiencia mejorada de recolección de fotones de moléculas de difusión más lenta en el canal espacialmente limitado", dice el profesor Stephan Götzinger.

"La antena es un potente dispositivo para investigaciones en ciencias biológicas. No sólo es fácil de usar, sino que también puede integrarse fácilmente en muchas configuraciones de microscopía existentes", añade el profesor Vahid Sandoghdar.