Учёные Технологического университета Делфта разработали плазмонные наноантенны, способные усиливать флуоресценцию белков прямо в живых клетках млекопитающих. Это открывает новые возможности для наблюдения за активностью организмов в реальном времени.
Генномодифицированные светящиеся белки уже давно используются для отслеживания химической и электрической активности клеток, в том числе в мозге мышей. Свечение позволяет изучать реакции животных на раздражители без вживления имплантов и зондов, что снижает травматичность экспериментов.
Однако яркости такого свечения и чувствительности белков к электрическим импульсам нервной системы часто не хватало для чёткой и полной визуализации процессов. Все попытки повысить яркость через генетическую модификацию белка не давали нужного разрешения по времени, необходимого для регистрации быстрых сигналов в синапсах.
Решение нашлось в области инженерии: исследователи применили наноантенны, размещённые в непосредственной близости от белков. Это увеличило интенсивность флуоресценции до шести раз, при этом клетки оставались живыми и продолжали нормально функционировать.
В качестве наноантенн использовались золотые нанозвёзды — плазмонные наночастицы сложной геометрии, способные концентрировать электромагнитное поле в нанометровой области вокруг своей поверхности. При лазерном освещении в них возбуждаются локализованные поверхностные плазмоны, создающие сильное оптическое ближнее поле.
Если флуоресцентный белок оказывается достаточно близко к такой структуре, меняется его взаимодействие со светом: растёт эффективность возбуждения и скорость излучения фотонов. Ранее подобные наноантенны применялись только в неживом окружении, но идея оказалась рабочей и для органики.
Главной инженерной задачей было подобрать форму и размер частиц, обеспечить их химическую стабильность и добиться правильного расположения относительно мембранных белков. Именно точное нанометровое сопряжение антенны с флуорофором позволило перенести эффект усиления флуоресценции одиночных молекул в живую клетку без вреда для неё.
Неожиданным результатом стало не только увеличение яркости. Белок QuasAr6a примерно в десять раз быстрее реагировал на изменения напряжения на мембране. Исследователи связывают это с тем, что плазмонная структура влияет не просто на интенсивность свечения, а на фотохимический цикл самого белка.
По мнению учёных, усиленное оптическое ближнее поле меняет скорости переходов между состояниями белка, одновременно повышая скорость испускания фотонов и ускоряя его динамику. Высокочувствительный комплекс белка с наноантенной позволит детальнее следить за активностью мозга млекопитающих и даже за органами глубоко в тканях, что раньше было труднодостижимо.