Terahertz Ultra Strong Coupling for mAcromolecules structure aNalYse & control

Descripción del proyecto

El fuerte acoplamiento luz-materia ayuda a combatir las enfermedades relacionadas con el plegamiento anómalo de proteínas

Las funciones de las macromoléculas como las proteínas y el ADN, que son fundamentales para las funciones vitales, estriban en su estructura tridimensional. Enfermedades como el Alzheimer y el Parkinson están provocadas por el plegamiento anómalo de proteínas, lo que convierte la modificación no invasiva de estructuras en un enorme reto para la microbiología. El estudio del acoplamiento fuerte (SC, por sus siglas en inglés) entre la luz y la materia podría aportar respuestas. Hallazgos recientes han revelado que las macromoléculas presentan vibraciones deslocalizadas en su estructura tridimensional en el rango de los terahercios (THz). Sus funciones se podrían alterar aplicando la SC a estas vibraciones. En el proyecto TUSCany, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, se emplearán dispositivos microfotónicos y nanofotónicos de THz para comprender el SC vibracional en el rango THz de las macromoléculas. Los hallazgos del proyecto podrían tener implicaciones para nuevos tratamientos de enfermedades provocadas por el plegamiento anómalo de proteínas.

Objetivo

MacroMolecules (e.g Proteins, DNA) carry out most of the functions of the living and these functions come from their 3D-structure. For instance, foldopathy like Alzheimer’s and Parkinson’s disease are caused by misfolding of proteins. Modifying this structure non-invasively is consequently a tremendous challenge for both microbiology research and applications.

Besides, light-Matter strong coupling (SC) occurs when a material is located at a high density of state of a photonic mode resonant with one of its transitions. Extensively studied in optics and quantum physics, SC recently gave exciting results in chemistry with the demonstration of its ability to change the product ratio of several chemical reactions.
Experimental and theoretical results unveil that macromolecules have delocalized vibrations over their whole 3D-structure in the Terahertz (THz) range. Therefore, one can ask if the functions of macromolecules can be modified by implementing strong coupling on the vibration of macromolecules in the THz.

In Tuscany, I will develop µ/nano THz photonics devices and experiments to establish reliable methods for macromolecules THz spectroscopy from cryogenic to body temperatures on samples from the single macromolecules to the cell culture. Then, I will demonstrate vibrational SC in the THz on these samples. Finally, I will demonstrate that the function of macromolecules, including catalysis and macromolecules assembly can be modified by selectively coupling individual vibrational modes from the single macromolecules up to in vivo experiments with prion propagation and viral capsid assembly.

My overall aim is to understand in detail the vibrational strong coupling in the THz range for macromolecules and make it a useful tool for biochemists and biophysicists. In the longer term, I hope this knowledge will seed the design of new approaches in µbiology leading to medical treatments impeding the proteins aggregation and ultimately the evolution of the foldopathies.