Trimatė plazmoninė liniuotė – erdviniams makromolekulių atvaizdams gauti

„Mes sukūrėme 3D plazmoninę liniuotę surištų plazmoninių oligomerų pagrindu kartu derindami aukštos skiriamosios gebos plazmoninę spektroskopiją. Tai mums leidžia nagrinėti pilną erdvinę sudėtingų molekulių ar biologinių procesų konfigūraciją ir stebėti šių procesų dinaminę evoliuciją“, – pasakė Polas Alivisatosas (Paul Alivisatos), kuris yra Berklio laboratorijos direktorius ir šios tyrimų grupės vadovas bei Kalifornijos universiteto profesorius. Alivisatosas yra pirmas bendraautorius straipsnio, atspausdinto „Science“ žurnale.

Biologijos ir medžiagų mokslai susitinka nanometriniame mastelyje. Kadangi žmogiškosios mašinos ir įrenginiai yra suspausti iki biomolekulinių dydžių, mokslininkams reikalingi įrankiai, kuriais jie galėtų tiksliai matuoti mažus struktūrinius pokyčius bei atstumus. Paviršinių bggangų, vadinamų plazmonais, pagrindu buvo kuriamos liniuotės. Paviršinės bangos generuojamos šviesai keliaujant suvaržytose (angl. confined) tauriųjų metalų, tokių kaip sidabras ar auksas, nanodalelių struktūrose.

„Dvi tauriųjų metalų nanodalelės, esančios arti viena kitos, susijungia per jų plazmoninius rezonansus. Tokio ryšio metu generuojamas šviesos sklaidos spektras, kuris stipriai priklauso nuo atstumo tarp dviejų nanodalelių, – pasakė Alivisatosas. – Šviesos sklaidos efektas buvo panaudotas kuriant tiesines plazmonines liniuotes, kurios buvo naudojamos nanomatmenų atstumams biologinėse ląstelėse matuoti.“

Lyginant su kitomis molekulinių liniuočių rūšimis, kurios veikia cheminių dažų bei fluorescensinio rezonanso energijos perdavimo pagrindu, plazmoninės liniuotės nemirksi ir neblėsta laikui bėgant. Tačiau iki šiol plazmoninės liniuotės galėjo matuoti atstumus tik viena kryptimi. Toks apribojimas neleidžia gauti pilno vaizdo apie biologinius procesus, kurie vyksta trimatėje erdvėje.

„Plazmoninis ryšys, susidaręs įvairiose nanodalelėse, esančiose arti viena kitos, sukuria šviesos sklaidą, kuri yra jautri visam sistemos judėjimui, – paaiškino viena iš straipsnio bendraautorių Naura Na Liu. – Mūsų sėkmės raktas yra sugebėjimas gauti ryškius spektrinius vaizdus vietoje plačių rezonansinių profilių naudojant sąveikas tarp kvadrupolinių ir dipolinių modų.“

Liu paaiškino, kad, paprastai dipoliniai plazmonų rezonansai yra platūs dėl radiacinio gesinimo. Todėl paprastas ryšys tarp daugelio dalelių sukuria neaiškų spektrą, kurio negalima susieti su atstumu. Problema buvo apeita naudojant trimatę liniuotę, sudarytą iš penkių aukso nanostrypų, turinčių skirtingą ilgį ir orientaciją. Vienas nanostrypas yra patalpintas statmenai tarp dviejų porų lygiagrečiai išdėstytų nanostrypų. Gaunama struktūra, kuri panaši į raidę H.

„Stiprus ryšys tarp vieno nanostrypo ir kitų dviejų lygiagrečiai išdėstytų nanostrypų mažina radiacinį gesinimą bei leidžia gauti dviejų kvadrupolinių rezonansų sužadinimą. Tai sudaro sąlygas didelės skiriamosios gebos plazmoninei spektroskopijai, – paaiškino Liu. – Bet koks konformacinis trimatės struktūros pokytis sukuria stebimą pokytį optiniuose spektruose.“ Ne tik struktūriniai trimatės plazmoninės liniuotės pokyčiai keičia sklaidomos šviesos bangos ilgius. Liniuotėje esamas erdvės laisvės laipsnių skaičius suteikia galimybę nagrinėti struktūrinių pokyčių kryptį bei dydį.

„Idėjos įrodymui mes sukūrėme grupę pavyzdžių naudodami didelio tikslumo elektronų pluoštelio litografiją. Tada juos sujungėme su mūsų trimatėmis liniuotėmis dielektrinėje aplinkoje, – paaiškino Liu. – Eksperimentiniai rezultatai labai gerai atitiko suskaičiuotą spektrą.“

Alivisatosas kartu su grupe numato, kad ateityje jų trimatės liniuotės naudojant biocheminius ryšius galės būti prijungtos prie tiriamų molekulių, pavyzdžiui, įvairių DNR vijos vietų ar įvairių baltymo molekulės taškų. Tada tiriama molekulė bus apšviečiama šviesa ir trimatės liniuotės optinis atsakas matuojamas naudojant tamsiojo lauko mikrospektroskopiją.

„Trimatės plazmoninės liniuotės taikymas tyrimams naudojant nanodaleles bei biocheminius ryšius yra sudėtingas dalykas. Tačiau mes jau pademonstravome trimačio nanodalelių rinkinio su pageidaujama simetrija bei konfigūracija veikimą, – pasakė Liu. – Mes tikime, kad šis pasiekimas sudarys sąlygas panaudoti trimates plazmonines liniuotes biologinių sistemų tyrimams.“