同时100单分子的动态、实时成像

400多年前发明以来,显微镜下继续发展,越来越深入大自然的奥秘凝视着最小的尺度。

在一项新的研究,教授。Shaopeng王,他的博士后研究学者马重连同他们的同事生物设计中心生物电子学和生物传感器在亚利桑那州立大学描述显微镜的进步基于现象称为表面等离子体共振(SPR)。

新的研究凸显了一系列的实验,表明SPR技术可以用来精确图像同时100单分子和描述他们的实时动态的活动,特别是当分子相互绑定和执行重要的生物功能。

“利用极高灵敏度的轴向(垂直)方向,SPR可以跟踪粒子的轴向运动事实上,更精确的比普通显微镜成像,”王说。“我们证明了这个特性可以用来研究分子绑定事件的细节在单一molecule-level和也一次处理多个信号。”

这项新的研究发表在最新一期的杂志ACS的传感器并被选为一个ACS编辑的选择潜力,由于其广泛的公共利益。

新一波的科学

SPR是一种光学效应,可用于检测和精确测量分子的绑定不需要荧光标签。这项技术有广泛的应用,在工业和医疗领域,它可用于屏幕和开发新的药物和biotherapeutics,新的诊断化验,解锁一些疾病的机制。

许多重要的生物分子在健康和疾病是具有挑战性的观察使用传统技术如x射线晶体学、核磁共振光谱学。SPR为这些调查提供了一个高效的、低成本的替代。

金属SPR依赖于事实不绑定到包含许多电子的原子。当入射光照耀在这些自由电子在适当的条件下,光中包含的能量导致这些电子产生共鸣,产生一波在金属表面,称为表面等离子体。

SPR技术可以用来测量之间的绑定蛋白质,核酸,小分子,和许多其他的交互。精确的探索等生物分子正在挑战大多数测量几个纳米大小。结果数据可以帮助研究人员确定哪些样品中分子相互作用,为什么相互作用,这些相互作用的强度。

SPR是唯一的技术之一,它允许研究人员研究不仅分子的亲和力,而且他们绑定动力学,提供有价值的信息没有被传统ELISA等测试。表面等离子体共振显微镜(SPRM)需要基本的SPR现象更进一步,产生一个高度通用的技术为研究分子绑定事件事实上尺度和毫秒时间分辨率。

敏感的检测

为了利用SPR微妙地探测单个分子的绑定,受体分子,比如一小段DNA,固定在传感器表面由一层很薄的黄金。然后绑定添加到水溶液中分子。

当偏振光定向到金膜在合适的角度,电浆波生成。绑定事件的固定化分子受体和绑定可以发现当它改变了在金表面折射率。这种效应行为扰乱表面等离子体,产生信号强度的增加。这些短暂的效应是借助高速摄像头捕捉到的。

在当前的研究中,SPR成像用于追踪100个粒子同时在三维空间中。在一个实验中,绑定的双链DNA, 48个碱基对长度,贴在金表面,作为受体分子。他们准备的分子检测是一个小型的酶称为解旋酶。它在生物系统中的作用是绑定和解除DNA,修复DNA序列时是必需的。

DNA解旋酶是第一个附加到金纳米粒子,使SPR揭示其微妙的光学特性绑定拴在DNA链。

水溶液的ATP,解旋酶集对其任务,解除双链DNA的速度约每秒10个碱基对,与真人被400 fps相机。中概述的高精度三维跟踪方法研究使研究人员能够得到解除的DNA链以及绑定解旋酶分子的旋转角度。

多用途技术

其他实验表明,该方法可以执行particle-based antibody-antigen绑定和区分检测特异性和非特异性绑定事件。(非特异性抗体绑定可能发生当一个细胞缺乏受体或特定抗体表位)。分子肌钙蛋白T,常见的心脏病生物标志物,观察它绑定到相应的抗体固定在金表面。

单独的特定从非特异性绑定事件的能力是有价值的好处,因为后者往往发生在混合像血清样品,使准确诊断分析具有挑战性。

进一步,因为SPRM技术可以捕获数据100个分子同时在三维空间中,分子绑定事件的方法允许详细的统计分析和动力学不可能与常规方法。因此,新技术显示了相当大的承诺快速,低成本,和详细的检测生物分子,可能被纳入新一代若设备。

参考:杨马G, Wan Z, Y, Jing W,王美国拴在粒子的三维跟踪探测使用电浆显微镜纳米单分子动力学。ACS Sens。2021年。doi:10.1021 / acssensors.1c01927

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