Gecombineerde techniek meet nanostructuren tien keer beter dan voorheen

Onderzoekers van Universiteit Leiden en de TU Delft hebben twee technieken die gebruikt worden om metingen te doen aan biomoleculen gecombineerd tot een techniek die tien keer zo gevoelig is. Met deze nieuwe methode hopen zij beter te kunnen meten hoe biomoleculen zijn opgebouwd. Dat is belangrijk omdat de structuur van een biomolecuul vaak zijn functie bepaalt. Hetzelfde geldt voor complexere structuren, zoals eiwitten. Die ondergaan gedurende hun levenscyclus vaak meerdere vormveranderingen, wat ze in staat stelt om verschillende taken uit te voeren.

Net zoals je ene hand het spiegelbeeld is van je andere hand, hebben ook veel moleculen een spiegelbeeld. En ook al zien ze er bijna hetzelfde uit, een ‘linkshandig’ molecuul werkt vaak heel anders dan zijn gespiegelde evenknie. Een bekend voorbeeld hiervan is het medicijn thalidomide, dat begin jaren '60 op de markt werd gebracht als een veilige slaappil, zelfs voor zwangere vrouwen. Het middel bestond uit een mix van linkshandige en rechtshandige varianten van het werkzame molecuul, maar alleen het linkshandige molecuul had het gewenste effect. Het rechtshandige molecuul bleek giftig te zijn, en zorgde ervoor dat wereldwijd duizenden baby’s met misvormde ledematen geboren werden.

Spiegelbeeld

Moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn heten chirale moleculen. En omdat een linkshandig molecuul dus meestal hele andere biologische eigenschappen heeft dan zijn spiegelbeeldvariant, is chiraliteit een fenomeen waarvoor veel aandacht is in de natuurwetenschappen.

Een belangrijke methode om te meten of een molecuul links- of rechtshandig is, is circulair dichroïsme. Onderzoekers richten hierbij circulair gepolariseerd licht dat ofwel linksom ofwel rechtsom draait op een sample, en meten dan op welke manier het licht geabsorbeerd wordt. Doordat linkshandige moleculen licht anders absorberen dan rechtshandige moleculen, kunnen ze er met deze techniek achter komen wat de verhouding is tussen de verschillende soorten moleculen in een sample. Met behulp van verschillende kleuren (golflengten) licht, kunnen ze zelfs vaststellen op welke manier een eiwit gevouwen is. Dat is belangrijk omdat eiwitten vaak structurele veranderingen ondergaan gedurende hun levenscyclus, en die veranderingen van zijn invloed op hun werking.

Beter signaal

Het probleem van circulair dichroïsme is dat het signaal dat je opvangt erg zwak is. “Je hebt dus veel tijd nodig om je signaal te verzamelen”, legt Caldarola uit. “Je kunt het een beetje vergelijken met de sluitertijd van een camera. Hoe langer de sluitertijd, des te meer licht en dus informatie je camera opvangt. Zo kun je donkerdere objecten in beeld brengen.” Door ervoor te zorgen dat er meer moleculen of eiwitten in een sample zitten, kun je een beter signaal krijgen. Maar ook dat is in sommige gevallen niet eenvoudig.

De Leidse en Delftse onderzoekers hebben circulair dichroïsme nu gecombineerd met een andere bestaande techniek: fotothermische beeldvorming. Hiermee kun je meten hoeveel fotonen een molecuul absorbeert. De experimentele inspanningen van Michel Orrit's groep van de Universiteit Leiden leidden tot de eerste werkopzet. Een verbeterde versie die de onderzoekers in staat stelt om de volgende stappen in het project te zetten werd gerealiseerd bij de TU Delft. “Door circulair dichroïsme te combineren met fotothermische beeldvorming, haalden we een gevoeligheid die tien keer hoger ligt dan met alleen circulair dichroïsme”, aldus Caldarola. Om te bewijzen dat de methode werkt, maakten de onderzoekers linkshandige en rechtshandige varianten van een gouden nanostructuur die als kunstmatig molecuul werkte. Het lukte ze vervolgens om de links- en rechtshandigheid van deze nanostructuren te meten.

Toekomst

De uiteindelijke droom van de onderzoekers is om de links- of rechtshandigheid van één enkel molecuul te kunnen detecteren. Het grote voordeel van circulair dichroïsme, gecombineerd met fotothermische beeldvorming, is dat je niet afhankelijk bent van de fluorescente labels die onderzoekers nu vaak aan hun moleculen hangen om ze te kunnen volgen. “Deze labels werken goed, maar ze werken maar een beperkte tijd. Daarna is je experiment voorbij”, zegt Caldarola. “In theorie zou onze methode ons in staat moeten stellen om biologische processen zo lang als we willen te meten.”

Voordat het zover is moet er nog wel heel wat gebeuren. “We zijn nu helaas nog niet in staat om enkele moleculen te detecteren”, aldus Caldarola. “Daarvoor moeten we de gevoeligheid nog met ongeveer een factor duizend verbeteren.” Klinkt onmogelijk? Dat is het misschien niet. “We hebben al manieren in gedachten om de techniek nog honderd keer zo gevoelig te maken. Vanaf daar is het nog maar een kleine stap.”

***

“Circular Dichroism Measurement of Single Metal Nanoparticles Using Photothermal Imaging”, Patrick Spaeth, Subhasis Adhikari, Laurent Le, Thomas Jollans, Sergii Pud, Wiebke Albrecht, Thomas Bauer, Martín Caldarola*, L. Kuipers, Michel Orrit, Nanoletters

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b03853