Наноканалы освещают путь к новым лекарствам

Для разработки новых лекарств и вакцин требуется детальное знание о мельчайших биологических строительных блоках природы — биомолекулах. Исследователи из Технологического университета Чалмерса (Швеция) представляют революционную технику микроскопии, которая позволяет изучать белки, ДНК и другие крошечные биологические частицы в их естественном состоянии совершенно новым способом.

Разработка лекарств и вакцин требует много времени и средств. Крайне важно оптимизировать этот процесс, изучая, как ведут себя и взаимодействуют отдельные белки. Новый метод микроскопии от Чалмерса может позволить находить наиболее перспективных кандидатов на более ранней стадии. Техника также имеет потенциал для исследования того, как клетки общаются друг с другом, секретируя молекулы и другие биологические наночастицы. Эти процессы играют важную роль, например, в нашем иммунном ответе.

Раскрывая силуэт

Биомолекулы малы и неуловимы, но жизненно важны, поскольку являются строительными блоками всего живого. Чтобы заставить их раскрыть свои секреты с помощью оптической микроскопии, исследователям в настоящее время необходимо либо пометить их флуоресцентной меткой, либо прикрепить к поверхности.

"При использовании текущих методов вы никогда не можете быть полностью уверены, что маркировка или поверхность, к которой прикреплена молекула, не влияет на её свойства. С помощью нашей технологии, которая не требует ничего подобного, молекула показывает свой совершенно естественный силуэт, или оптическую сигнатуру. Это означает, что мы можем анализировать молекулу такой, как она есть", — говорит руководитель исследования Кристоф Лангхаммер, профессор кафедры физики Чалмерса.

Уникальный метод микроскопии основан на том, что молекулы или частицы, которые исследователи хотят изучить, пропускаются через чип, содержащий крошечные наноразмерные трубки, известные как наноканалы. В чип добавляют тестовую жидкость, которую затем освещают видимым светом. Взаимодействие, которое затем возникает между светом, молекулой и маленькими заполненными жидкостью каналами, заставляет молекулу внутри проявляться в виде тёмной тени, и её можно увидеть на экране, подключённом к микроскопу. Изучая её, исследователи могут не только видеть, но и определять массу и размер биомолекулы, а также получать косвенную информацию о её форме — что ранее было невозможно с помощью одной методики.

Новая техника, нанофлюидная рассеивающая микроскопия, была недавно представлена в научном журнале Nature Methods. Шведская королевская академия инженерных наук также отметила прогресс. Инновация также сделала шаг в общество через стартап Envue Technologies.

"Наш метод делает работу более эффективной, например, когда вам нужно изучить содержимое образца, но вы заранее не знаете, что он содержит и, следовательно, что нужно пометить", — говорит исследователь Барбора Шпачкова.

Исследователи продолжают оптимизировать дизайн наноканалов, чтобы находить ещё более мелкие молекулы и частицы, которые сегодня ещё не видны.

"Цель — further honing our technique so that it can help to increase our basic understanding of how life works, and contribute to making the development of the next generation medicines more efficient", — говорит Лангхаммер.

Как работает техника:

• Молекулы или частицы помещают в чип с крошечными наноразмерными трубками (наноканалами), заполненными тестовой жидкостью.
• Чип закрепляют в специально адаптированном оптическом микроскопе тёмного поля и освещают видимым светом.
• На экране молекула появляется в виде тёмной тени, свободно движущейся внутри наноканала. Это происходит из-за взаимодействия света с каналом и биомолекулой. Возникающий интерференционный эффект значительно усиливает оптическую сигнатуру молекулы, ослабляя свет именно в точке её нахождения.
• Чем меньше наноканал, тем больше эффект усиления и тем меньшие молекулы можно увидеть.
• Сейчас техника позволяет анализировать биомолекулы с молекулярной массой примерно от 60 килодальтон и выше. Также можно изучать более крупные биологические частицы, такие как внеклеточные везикулы и липопротеины, а также неорганические наночастицы.