Dioscuri centrum jedno-molekulární optiky

Souhrn

Pro život nejzásadnější pochody se odehrávají na úrovni nanometrů, miliardkrát menší než velikost lidského těla, kde složité funkce dirigují molekuly. Stávající mikroskopické nástroje však při nahlížení do tohoto světa narážejí na omezení, což nechává řadu otázek týkajících se elementárního pochopení molekulárních procesů nezodpovězených.

Text

V létě 2024 dojde k otevření Dioscuri centra jednomolekulární optiky (DC), které se zaměří na vývoj unikátní sady nástrojů pro vědy o živé přírodě založené na principech nanooptiky a nanofluidiky.

Tato inovace otevře příležitost ponořit se do biologického nanovesmíru a studovat jej způsobem, který doposud nebyl možný – v jeho přirozeném stavu, v reálném čase a na úrovni jednotlivých molekul. Výzkum poskytne bohatý zdroj informací, které v současnosti chybí, bude katalyzátorem nových strategií pro včasnou diagnostiku a léčbu a také inspirací pro vývoj nových biotechnologií napodobujících přírodu.

Zobrazení jediné biomolekuly v přirozeném stavu již dlouho představuje kritickou výzvu. Účinnost rozptylu světla biomolekulou je velmi malá a rychlý Brownův pohyb umožňuje akumulaci rozptýleného světla pouze po extrémně krátkou dobu, kterou biomolekula stráví v difrakčně omezeném bodě. Kombinace těchto faktorů znemožňuje detekovat biomolekulu přímo. Nedávno byla představena nová optická metoda – Nanofluidní rozptylová mikroskopie (NSM) [1], která tyto omezení překonala. Unikátní základní princip této metody umožnil zobrazit jednotlivé biomolekuly ve volném pohybu bez jakéhokoli značení. Funguje ve fyziologicky relevantních podmínkách, v reálném čase a bez nutnosti imobilizace na povrch. Navíc tato metoda umožňuje kontinuální měření hmotnosti, (hydrodynamické) velikosti a konformace každé zobrazované molekuly. Monitorování jednotlivých biomolekul difundujících v roztoku představuje dosud neprozkoumanou příležitost pro studium molekulárního transportu, interakcí mezi jednotlivými biomolekulami nebo analýzu komplexních biologických tekutin. Další vývoj NSM a její aplikace v bioanalýze budou centrálním bodem výzkumného programu DC.

Princip NSM. (A) Experimentální konfigurace, kdy je nanokanál s biomolekulou uvnitř ozařován viditelným světlem a světlo rozptýlené ze systému se shromažďuje v konfiguraci mikroskopie tmavého pole. (B) Výběr snímků NSM obsahujících volně se pohybující jednotlivý protein (thyroglobulin). Tmavá skvrna označuje polohu biomolekuly. Trajektorie je znázorněna mezi snímky. (C) Kymograf volně se pohybujícího jednotlivého proteinu – časová posloupnost snímků NSM, kde každá svislá čára odpovídá snímku zprůměrovanému přes krátkou osu nanokanálu. Převzato z [1].

 

[1] Špačková B, Klein Moberg H, Fritzsche J, et al. Label-free nanofluidic scattering microscopy of size and mass of single diffusing molecules and nanoparticles. Nat Methods. 2022;19(6):751-758. doi:10.1038/s41592-022-01491-6