Niech stanie się światło – dużo światła – co pozwoli na łatwe wykrywanie biocząsteczek
Zwiększanie jasności wysoce wyspecjalizowanych sond fluorescencyjnych poprawia ich czułość, co pozwala na wykrywanie pojedynczych cząsteczek. Zależność ta ma niezwykle ważne znaczenie dla szeregu zastosowań, od diagnostyki medycznej po monitoring środowiska. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu BrightSens naukowcom udało się opracować sondy o niespotykanej dotąd jasności dzięki wykorzystaniu stworzonych z myślą o tym rozwiązaniu nanocząsteczek fluorescencyjnych. Nowe rozwiązanie toruje drogę do niezwykle dokładnej przyłóżkowej diagnostyki szpitalnej przy użyciu tanich i powszechnie dostępnych kamer, a być może nawet smartfonów.
W grupie siła (sygnału)
Zespół badawczy skupiony wokół projektu BrightSens, na którego czele stanął główny badacz Andrey Klymchenko, skutecznie zamknął tysiące fluorescencyjnych cząsteczek barwnika w pojedynczej nanocząsteczce stanowiącej rodzaj nanoanteny. Naukowcom udało się zmodyfikować powierzchnię nanocząsteczki przy pomocy kwasów nukleinowych (bądź białek), umożliwiając w ten sposób wykrywanie biocząsteczek. Połączenie cząsteczek fluorescencyjnych ze specjalnymi „przełącznikami” molekularnymi (akceptorami energii) znajdującymi się na powierzchni nanocząsteczki pozwala na „włączanie” emisji światła przez setki lub tysiące cząsteczek barwnika w przypadku kontaktu z rozpoznaną biocząsteczką. Jak wyjaśnia Andrey Klymchenko, naukowiec, który otrzymał dotację od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) na zrealizowanie tego badania: „Wyjątkową cechą naszych nanocząsteczek jest to, że tysiące zamkniętych w niej cząsteczek barwników jest w stanie komunikować się nawet z pojedynczą cząsteczką akceptorową. Cząsteczki barwnika zachowują się w tym przypadku niczym orkiestra dyrygowana przez pojedynczy akceptor energii. W rezultacie sygnał pojedynczego akceptora jest wzmacniany około tysiąckrotnie”. Tak duże wzmocnienie sygnału doprowadziło do pierwszego w historii wykrycia pojedynczych cząsteczek fluorescencyjnych w warunkach wzbudzenia odpowiadających światłu słonecznemu. W oparciu o to odkrycie, zespół opracował prototypową nanosondę pozwalającą na wykorzystanie wzmocnienia w celu wykrywania DNA, osiągając dokładność wykrywania na poziomie pojedynczych cząsteczek DNA/RNA. Zespół naukowców złożył już dwa zgłoszenia patentowe na te odkrycia, które stanowią część pięciu zgłoszeń złożonych dotychczas w związku z wynikami i rezultatami projektu BrightSens. Kluczowym czynnikiem, który umożliwił wzmocnienie emisji światła, było wykorzystanie innowacyjnych jonowych „dystansów”, dzięki którym płaskie cząsteczki barwnika nie przylegają do siebie niczym naleśniki, tworząc w ten sposób niefluorescencyjne zbitki. Opracowanie specjalnego polimeru pozwoliło na zmniejszenie rozmiaru nanocząsteczek z 40 nm do 9 nm, co umożliwiło ich łatwiejszą dyfuzję w obrębie komórki. „Opracowane w ramach projektu nanocząsteczki należą do najjaśniejszych nanoobiektów w historii, są bowiem około 100 razy jaśniejsze od kropek kwantowych – niewielkich półprzewodników, które od wielu lat stanowiły przyjęty standard jasnej nanocząsteczki”, dodaje Klymchenko. Podejście opracowane w ramach projektu zostało rozszerzone na inne barwniki, co pozwoliło na uzyskanie nanocząsteczek o różnych kolorach. Jak dodaje Klymchenko: „Mieszanie nanocząsteczek o trzech kolorach, podobnie jak ma to miejsce w przypadku kolorowej drukarki atramentowej, pozwoliło nam na »barkodowanie« żywych komórek przy pomocy nawet do 13 kolorów, a następnie śledzenie ich przez przeszło dwa tygodnie”. Opracowane nanocząsteczki umożliwiające barkodowanie komórek zostały już skomercjalizowane przez francuską spółkę biotechnologiczną Lymphobank.
Droga do przyłóżkowej diagnostyki szpitalnej przy pomocy smartfona
Nowatorska technologia opracowana w ramach projektu BrightSens toruje drogę do wykrywania biocząsteczek przy pomocy bardzo prostych urządzeń. Zespół bada obecnie możliwość udzielenia licencji na swoje patenty kilku spółkom biotechnologicznym, a także założenia własnego start-upu w celu komercjalizacji opracowanych nanosond. Jak podsumowuje Klymchenko: „W przeciwieństwie do istniejących protokołów, nasza technologia umożliwi szybką, prostą i tanią diagnostykę. Ponadto nasze sondy przyspieszą badania komórkowe w przypadku nowotworów i innych chorób, które wymagają wykrywania i obrazowania mRNA oraz mikro-RNA”.
Słowa kluczowe
BrightSens, nanocząsteczka, fluorescencyjna, cząsteczka, diagnostyka, wykrywanie, barwnik, sonda, emisja, światło słoneczne, wzmocnienie, barwnik w kapsułce, sonda fluorescencyjna, przyłóżkowa, nanoantena, biocząsteczka, polimer
