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El equipo de investigación, dirigido por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST), ha desarrollado una plataforma de espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS) óptica plasmónica controlada por pinzas que permite el control de encendido y apagado de la luz para estudiar varias amilinas. mezclas de especies a nivel de una sola molécula.
Esta tecnología ha revelado las estructuras heterogéneas de las especies de amilina dependientes del pH, así como los misterios que rodean los mecanismos de agregación de amiloide asociados con la diabetes tipo 2.
Al eliminar el promedio de conjuntos, los métodos de una sola molécula analizan la señal emitida por moléculas individuales, revelando información que antes pasaba desapercibida y revolucionando la comprensión de sistemas moleculares complejos y diversos. Debido a que el volumen de detección limitado por la difracción no se puede reducir más, los métodos actuales de una sola molécula se limitan a la ultradilución y/o la inmovilización molecular.
Por el contrario, determinadas biomoléculas participan en diversas interacciones que se ven influenciadas significativamente por la concentración. Por ejemplo, en pacientes con diabetes tipo II, el polipéptido amiloide de los islotes humanos (amilina, hIAPP) carece de estructuras secundarias estables pero muestra una propensión a agregarse, controlada por factores ambientales como la concentración y el pH, produciendo distintos intermediarios oligoméricos y fibrillas de amiloide.
Debido a las dificultades para identificar especies de amilina inusuales, de vida corta y heterogéneas en una mezcla dinámica, el proceso molecular aún se desconoce, lo que requiere el desarrollo de técnicas sofisticadas de una sola molécula.
Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el Prof. Jinqing Huang, profesor asistente en el Departamento de Química de HKUST, desarrolló con éxito una nueva plataforma de una sola molécula que combina la manipulación plasmónica óptica y la medición SERS para reducir el volumen de detección y aumentar la amplificación de la señal.
Este desarrollo permite la caracterización productiva y de alto rendimiento de una sola molécula para estudiar especies de amilina dependientes del pH en concentraciones fisiológicas.
Los investigadores crearon específicamente una unión plasmónica entre dos microesferas de sílice cubiertas con nanopartículas de Ag para capturar una nanopartícula de Ag adicional y crear una nanocavidad dinámica que podría encapsular una o más moléculas para caracterizaciones SERS sensibles.
Dado que los fenómenos SERS y la captura óptica de plasmones están espacialmente limitados a escala nanométrica, es posible lograr simultáneamente una mejora SERS, un volumen de detección mínimo y un control de posición preciso que se extienda más allá del límite de difracción óptica.
Además, los dímeros de microesferas de sílice recubiertas con nanopartículas de Ag exhiben una mayor estabilidad en soluciones en comparación con los conjuntos de nanopartículas de Ag tradicionales, lo que facilita la observación y localización de la unión plasmónica bajo microscopios estándar, aumentando así la eficiencia y la repetibilidad.
Los investigadores pueden modificar el montaje y desmontaje de la nanocavidad dinámica para muestreo de alto rendimiento y mediciones SERS simultáneas variando la luz láser entre estados «encendido» y «apagado».
Utilizando esta eficaz plataforma de una sola molécula, los investigadores pudieron extraer un número estadísticamente significativo de espectros SERS que explicaban las propiedades estructurales de diferentes especies de amilina en dos entornos fisiológicos diferentes: los compartimentos extracelulares a pH 7,4 y los gránulos secretores de las células β pancreáticas. a pH 5,5.
Las simulaciones de dinámica molecular (MD) confirmaron la identificación de dos especies de amilina de baja población en función de sus monómeros dominantes en las primeras etapas de la agregación de amiloide a pH neutro.
Estas especies tenían una horquilla β corta con un extremo C restringido o una estructura de giro crucial. Incluso si el pH se ajusta de 7,4 a 5,5, un pequeño cambio en el equilibrio entre múltiples especies de amilina puede resultar en un desarrollo permanente de amiloide.
Como resultado, la caracterización estructural directa de estas especies de amilina en mezclas heterogéneas revela la influencia del pH en sus interacciones intra e intermoleculares y proporciona información sobre el mecanismo detrás de la agregación de amiloide regulada por el pH, que es importante para comprender la diabetes tipo 2.
Presentamos una estrategia fácil de usar que reduce el volumen de detección, mejora la señal molecular y aumenta la eficiencia de las ventas. “Nuestra plataforma de molécula única puede capturar una gran cantidad de espectros SERS como instantáneas moleculares, comparables a las obtenidas mediante simulaciones MD. Al analizar estadísticamente los detalles estructurales a nivel de una sola molécula, podemos reconstruir las propiedades generales y obtener información única sobre la población y la probabilidad de tipos de moléculas específicas dentro de la mezcla heterogénea. Tiene el potencial de descubrir secretos ocultos en sistemas complejos.
Jinqing Huang, profesor asistente, Departamento de Química, Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong
Referencia de la revista:
Fu, W., et. Alabama. (2023) Caracterización SERS de una sola molécula controlada con pinzas plasmónicas ópticas eficientes de especies de amilina dependientes del pH en ambientes acuosos. comunicación de la naturaleza. doi:10.1038/s41467-023-42812-3.
Fuente: https://hkust.edu.hk/
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