Более яркие и мелкие зонды для изучения тайной жизни белков

Исследователи сталкиваются с проблемой: наночастицы-зонды для отслеживания белков в живых клетках могут быть слишком большими и нарушать нормальную активность белков.

Команда учёных под руководством Брюса Коэна из Molecular Foundry Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли разработала способ выращивания светоизлучающих нанокристаллов, достаточно мелких, чтобы не нарушать клеточную активность, но достаточно ярких для индивидуальной визуализации. Результаты опубликованы 16 февраля 2012 года в ACS Nano в статье «Controlled Synthesis and Single-Particle Imaging of Bright, Sub-10 nm Lanthanide-Doped Upconverting Nanocrystals».

Создание лучшего зонда

Ранее в качестве зондов использовались флуоресцентные молекулы или квантовые точки. Первые быстро «выцветают» (фотобледнеют), вторые — мерцают (включаются и выключаются). Команда Molecular Foundry создала зонды на основе нанокристаллов фторида натрия-иттрия (NaYF4), легированных лантаноидами (иттербием и эрбием). Эти нанокристаллы излучают яркий, стабильный свет и обладают конверсией вверх (апконверсией): поглощают низкоэнергетические фотоны (ближний инфракрасный свет) и переизлучают их с более высокой энергией (в видимом диапазоне, например, зелёный или красный свет).

Преимущества апконвертирующих нанокристаллов:

  • Клетки сами не апконвертируют свет, поэтому фоновая засветка минимальна, и можно чётко видеть отдельные зонды.
  • Ближний инфракрасный свет менее повреждает клетки, чем видимый или ультрафиолетовый, что позволяет проводить длительные эксперименты по визуализации.

Комбинаторный подход и контроль синтеза

Нанокристаллы NaYF4 могут образовывать две кристаллические фазы: альфа и бета. Бета-фаза эффективнее для апконверсии, но её сложнее выращивать. Чтобы получить воспроизводимые бета-нанокристаллы, команда использовала робота WANDA (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis), что позволило провести тысячи реакций и научиться точно контролировать размер и цвет наночастиц. Учёные могут создавать частицы размером до 5 нм, находя баланс между малым размером и необходимой яркостью.

Следующие шаги

Следующая цель — использовать эти нанокристаллы для отслеживания движения отдельных белков в клетке. Одна из интересующих тем — изучение формирования синапсов между нейронами: как белки из двух клеток находят друг друга и сколько таких взаимодействий необходимо для образования связи.

Исследование поддержано Управлением науки Министерства энергетики США.