18 juni 2020
‘Nano-zaklamp’ onthult ultrasnelle biochemische reacties
Biochemische reacties maken het leven mogelijk. Om de werking van biomoleculen te begrijpen, moeten deze reacties in realtime worden gevolgd. Die reacties vinden in kleine fracties van een milliseconde plaats. Het volgen hiervan is lastig, zelfs met zeer gevoelige optische instrumenten. Daarom gebruikte promovendus Yuyang Wang een ‘plasmonische nano-zaklamp', een enkel metalen nanodeeltje dat afzonderlijke fluorescerende moleculen verlicht. Daardoor is het nu mogelijk om die ultrasnelle biochemische reacties te detecteren. Wang verdedigt zijn proefschrift op 19 juni.
Artistieke impressie van een plasmonische nano-zaklamp. Foto: Yuyang Wang
Biochemische reacties, vooral degene waarbij enzymen bij betrokken zijn, maken het leven mogelijk. Het onderzoek naar deze reacties vormt de basis van de moderne biofysische wetenschappen en heeft intussen een schat aan informatie onthuld over de lengte en tijdschema’s. Tot voor kort werden biomoleculen en hun interacties bestudeerd op groepsniveau, waar meerdere moleculen over langere tijdschalen worden bestudeerd dan in een biochemische reactie.
Helderheid afzonderlijke moleculen
Single-molecule fluorescentiemicroscopie (SMFM) is een essentieel hulpmiddel om biologisch inzicht te krijgen in complexe moleculaire systemen waar een hoge resolutie in tijd- en lengteschaal vereist zijn. Met SMFM kan men de biologische puzzels aanpakken die traditioneel onmogelijk op te lossen zijn. Dit komt omdat de gevoeligheid voor één molecuul het mogelijk maakt verschillen in de tijd en per molecuul waar te nemen die verband houden met gecompliceerde biologische processen, en verborgen zijn in observaties op groepsniveau.
De resolutie van SMFM wordt echter beperkt door de beperkte helderheid van afzonderlijke moleculen vanwege hun fluorescentieverzadiging bij hoog laservermogen. Er zijn dringend nieuwe benaderingen nodig om de helderheid te verbeteren om de toepassingen van SMFM uit te breiden naar snellere regimes. Wang onderzocht daarom het gebruik van enkele gouden nanodeeltjes om de maximale helderheid van afzonderlijke moleculen te vergroten.
Nanoschaalantennes
Metalen nanodeeltjes van bijvoorbeeld goud of zilver, kleiner dan 100 nanometer, gedragen zich als nanoschaalantennes. Fluorescentiemoleculen die zich in de buurt van deze deeltjes bevinden, worden aanzienlijk beïnvloed en lijken veel helderder alsof ze worden verlicht door een ‘plasmonische nano-zaklamp’. Wang besteedde speciale aandacht aan het verzadigingsgedrag van afzonderlijke moleculen in de buurt van plasmonische deeltjes, aangezien verzadiging de helderheid beperkt.
Hij ontdekte dat enkele plasmonische nanodeeltjes het verzadigingsgedrag wijzigen en de maximale helderheid van afzonderlijke moleculen tot honderden keren verhogen. Ook ontwikkelde hij zowel in theorie als in de praktijk een systematische aanpak om met deze nanodeeltjes te werken. Voor het eerst worden enkelvoudige plasmonische nanotorches nu in eerste instantie toegepast voor de detectie van fluorogene enzymreacties, een belangrijke stap om de fluorescentieverbetering naar het gebied van enzymmoleculen met enkelvoudige moleculen te duwen. Wang’s onderzoek vergroot het begrip van plasmon-versterkte fluorescentie en maakt de weg vrij voor het bestuderen van snelle biomoleculaire processen.
