Физики из Университета Райса (США) разработали технологию, позволяющую отслеживать поведение отдельных молекул в течение многих часов.

Чтобы засечь движение отдельных молекул, ученым приходится как-то изменять их – например, ввести в состав молекулы флуоресцентную метку или как-то повлиять на движение молекулы. В любом случае, за движением молекулы удается следить в течение нескольких минут, не больше. Физики из Университета Райса создали технологию, позволяющую им отслеживать отдельные молекулы, не изменяя их – причем в течение не минут, а часов.

Исследовательская группа, работавшая под руководством Джейсона Хафнера, доцента факультета физики и астрономии Университета Райса, показала, что плазмонные свойства наночастиц способны «подсвечивать» молекулярные взаимодействия на уровне отдельных молекул.

В основе метода Хафнера лежит так называемый локальный поверхностный плазмонный резонанс. Плазмонный резонанс – это поверхностное возбуждение плазмонов посредством света; в данном случае он локален – плазмоны возникают на наночастицах золота, помещенных в раствор. Рассеиваемый на этих частицах свет на видимых длинах волн можно засечь и подвергнуть спектральному анализу, наблюдая за резонансом.

Пиковая длина волны при резонансе очень чувствительна к малым изменениям в диэлектрических свойствах среды», — комментирует Кэтрин Майер, студентка Университета Райса и ведущий автор работы. — Отслеживая пик с помощью спектрометра, можно следить за молекулярными взаимодействиями близ поверхности наночастиц».

Идея использовать наночастицы золота возникала у Хафнера еще в 2006 году, когда в его лаборатории были впервые получены золотые наночастицы сложной формы, многолучевые «нанозвезды». Сначала для рассеяния света использовались крошечные наностержни, однако они рассеивали свет недостаточно хорошо. Для нанозвезд оказалось слишком трудно контролировать их форму и, следовательно, пиковую длину волны. Ученые остановились на многогранниках-бипирамидах с 10 гранями, размером порядка 140 нанометров каждый.

Для наблюдения за биологическими молекулами золотые частицы-бипирамиды покрывались слоем антител. С этими антителами сцеплялись антигены. Затем антигены «смывались» с наночастицы. Когда разрывалась связь между антигеном и антителом на поверхности бипирамиды, исследователи регистрировали в рассеиваемом бипирамидой красном свете небольшое смещение в сторону синей части спектра.

Что замечательно, нет нужды как-то менять при этом саму молекулу – например, добавляя флуоресцентную метку, отмечает Хафнер. Поскольку изменение диэлектрических свойств среды сохраняется, за поведением молекулы можно наблюдать до 10 часов – по сравнению со сроком всего в несколько минут, считающимся нормой в современных методах.

Такой метод открывает возможность наблюдения за долгими процессами на молекулярном уровне – например, за лектинкарбогидратными взаимодействиями, отвечающими за адгезию клеток и их «узнавание» в организме, в том числе и человеческом.

Впрочем, перспективный метод еще нуждается в доработке. Исследователи считают, что бипирамидальная форма частиц – это временный, компромиссный вариант. Слишком вытянутые бипирамиды отличаются высокой чувствительностью, но дают слишком малый сигнал; сжатые – напротив, сами недостаточно чувствительны. Хафнер и его коллеги считают, что если в будущем удастся повысить отношение уровня сигнала к уровню шума еще на один-два порядка, их разработка может стать эффективнейшим методом для биологических исследований.

По материалам приложения к журналу «Российские нанотехнологии» – «В мире нано» № 5 2010 год.