Вчені Університету Вісконсіна-Медісона розробили новий, високочутливий метод для виявлення та аналізу окремих молекул без використання флуоресцентних міток, потенційно трансформуючи дослідження у сфері розробки ліків і матеріалознавства.
Дослідники з Університету Вісконсіна-Медісона розробили найчутливіший метод для виявлення та профілювання однієї молекули — відкриваючи новий інструмент, який має потенціал для кращого розуміння того, як будівельні блоки матерії взаємодіють один з одним. Новий метод може мати наслідки для таких різноманітних пошуків, як відкриття ліків і розробка сучасних матеріалів.
Технічне досягнення, описане в статті, опублікованій в журналі Nature, знаменує собою значний прогрес у зростаючій галузі спостереження за окремими молекулами без допомоги флуоресцентних міток. Хоча ці мітки корисні в багатьох додатках, вони змінюють молекули таким чином, що може приховати їх природну взаємодію одна з одною. Новий метод без міток дозволяє виявити молекули настільки легко, що це майже так, якби вони мали мітки.
«Ми дуже раді цьому», — каже Рендалл Голдсміт, професор хімії з Медісонського університету, який керував роботою. «Фіксація поведінки на рівні окремих молекул є надзвичайно інформативним способом розуміння складних систем, і якщо ви зможете створити нові інструменти, які нададуть кращий доступ до цього погляду, ці інструменти можуть бути дійсно потужними».
Хоча дослідники можуть отримати корисну інформацію, вивчаючи матеріали та біологічні системи у великих масштабах, Голдсміт каже, що спостереження за поведінкою та взаємодією між окремими молекулами є важливими для контекстуалізації цієї інформації, що іноді призводить до нових ідей.
«Коли ви бачите, як нації взаємодіють одна з одною, все зводиться до взаємодії між окремими людьми», — каже Голдсміт. «Ви навіть не думали б зрозуміти, як групи людей взаємодіють одна з одною, ігноруючи те, як окремі люди взаємодіють один з одним».
Важливість спостереження окремої молекули
Ґолдсміт шукав привабливість окремих молекул з того часу, як більше десяти років тому працював у Стенфордському університеті. Там він працював під керівництвом хіміка WE Moerner, який отримав Нобелівську премію з хімії у 2014 році за розробку першого методу використання світла для спостереження однієї молекули.
Після початкового успіху Моернера дослідники в усьому світі винайшли та вдосконалили нові способи спостереження за цими крихітними частинками матерії.
Метод, який розробила команда UW-Madison, базується на пристрої під назвою оптичний мікрорезонатор або мікропорожнина. Як випливає з назви, мікропорожнина — це надзвичайно крихітний простір, де світло може бути захоплене простором і часом — принаймні на кілька наносекунд — де воно може взаємодіяти з молекулою. Мікропорожнини частіше зустрічаються у фізичних або електротехнічних лабораторіях, а не в хімічних. Історія Голдсміта у поєднанні концепцій із різних наукових галузей була визнана у 2022 році нагородою Polymath від Schmidt Futures.
Мікропорожнини побудовані з неймовірно маленьких дзеркал, сформованих прямо на вершині оптоволоконного кабелю. Ці волоконно-оптичні дзеркала багато разів дуже швидко відбивають світло туди-сюди всередині мікропорожнини.
Потенційні застосування та майбутні розробки
Дослідники дозволяють молекулам впасти в порожнину, дозволяють світлу проходити крізь неї, і можуть не тільки виявити присутність молекули, але й отримати інформацію про неї, наприклад, як швидко вона рухається у воді. Ця інформація може бути використана для визначення форми або конформації молекули.
«Коформація на молекулярному рівні неймовірно важлива, особливо для роздумів про те, як біомолекули взаємодіють одна з одною», — говорить Голдсміт. «Припустимо, у вас є білок і якийсь низькомолекулярний препарат. Ви хочете побачити, чи діє білок на ліки, тобто чи має препарат якусь велику взаємодію з білком? Один зі способів, як ви можете це побачити, — якщо це вносить конформаційні зміни».
Існують інші способи зробити це, але вони вимагають великої кількості пробного матеріалу та тривалих аналізів. Завдяки нещодавно розробленій техніці мікропорожнин, Голдсміт каже: «Ми потенційно можемо створити інструмент чорної скриньки, який даватиме нам відповідь за десятки секунд».
Команда, до складу якої входила Ліза-Марія Нідхем, колишня докторантка, яка зараз є директором лабораторії Кембриджського університету, подала патент на пристрій. Голдсміт каже, що пристрій і методи будуть вдосконалені протягом наступних кількох років. Тим часом він каже, що він і його співробітники вже думають про те, як це може бути корисним.
«Ми в захваті від багатьох інших застосувань у спектроскопії», — каже він. «Ми сподіваємося, що зможемо використати це як сходинку до інших способів дізнатися про молекули».