18 septembre, 2018—Les chimistes de l'Université de l'Oregon ont créé une nouvelle classe de colorants fluorescents qui fonctionnent dans l'eau et émettent des couleurs basées uniquement sur le diamètre des nanotubes circulaires constitués de carbone et d'hydrogène.

L'équipe de six membres a signalé la découverte, qui est maintenant explorée pour son utilisation potentielle en imagerie biologique, dans un article en libre accès publié en ligne le 30 août, avant l'impression dans le journal ACS Science centrale .

L'article détaille comment les molécules organiques synthétisées appelées nano-cercles, qui initialement n'étaient pas solubles dans l'eau, ont été manipulés avec une chaîne latérale chimique pour leur permettre de traverser les membranes cellulaires et de conserver leurs couleurs dans les cellules vivantes.

Pendant des années, les scientifiques impliqués dans la recherche biologique et les diagnostics médicaux se sont appuyés sur des composés chimiques appelés fluorophores, qui ont des structures plates et émettent des couleurs différentes lors d'une excitation lumineuse, pour marquer des molécules biologiques spécifiques. Le potentiel des structures circulaires à fournir de nouvelles propriétés fluorescentes est beaucoup moins exploré.

Nanocerceaux, qui sont de courtes tranches circulaires de nanotubes de carbone, pourrait permettre l'utilisation de plusieurs couleurs fluorescentes, déclenché par une seule excitation, pour suivre simultanément plusieurs activités dans des cellules vivantes, a déclaré le co-auteur de l'étude Ramesh Jasti, professeur au Département de chimie et de biochimie de l'UO et membre du Materials Science Institute.

"La fluorescence des nano-cercles est modulée différemment des fluorophores les plus courants, ce qui suggère qu'il existe des opportunités uniques pour l'utilisation de ces colorants nanohoop dans les applications de détection, " a déclaré le co-auteur Michael Pluth, également professeur au Département de chimie et de biochimie de l'UO. "Ces colorants conservent leur fluorescence dans une large gamme de valeurs de pH, ce qui en fait des fluorophores fonctionnels et stables dans un large éventail de conditions acides et basiques."

Les chercheurs des laboratoires Jasti et Pluth ont collaboré à la recherche, qui a été financé par la National Science Foundation, Instituts nationaux de la santé, Fondation Sloan et Fondation Camille et Henry Dreyfus.

Les nano-cercles ont une composition atomique précise, dit Jasti. Une fois qu'une chaîne latérale chimique a été conçue par l'auteur principal de l'étude, Brittany M. White, un doctorant dans le laboratoire de Jasti, les nano-cercles sont devenus solubles et ont traversé librement les membranes cellulaires mais n'ont pas atteint des sites particuliers.

"Les structures circulaires comme ces nano-cercles se dissolvent mieux dans les milieux aqueux que les structures plates, " Jasti dit. "Nous avons compris cela en le faisant simplement. Cela ne faisait pas partie du plan. Nous voulions juste fabriquer des nanostructures de carbone de manière ultra pure. Les émissions lumineuses des différentes tailles qu'ils ont produites viennent de se produire. C'est un phénomène à l'échelle nanométrique."

Dans une prochaine étape, co-auteur Yu Zhao, chercheur postdoctoral au laboratoire de Pluth, ont exploré où les nano-cercles allaient à l'intérieur des cellules et s'ils pouvaient être guidés vers des sites particuliers à l'intérieur des cellules. Une chaîne latérale ajoutée contenant de l'acide folique a conduit les nano-cercles aux cellules cancéreuses.

"Ce succès nous a appris que ces nano-cerceaux peuvent être acheminés vers différents types de cellules ou même vers des compartiments intracellulaires, " a déclaré Jasti. "Cela a également suggéré leur utilisation possible dans le diagnostic médical ou même l'administration de médicaments, car nos nano-cercles peuvent facilement transporter de petits compartiments qui iront à des endroits spécifiques."

Niveaux de toxicité des nano-cercles, il ajouta, ne sont pas différents de ceux des colorants fluorescents traditionnellement utilisés.

Dans un effort nouvellement financé, Jasti travaille avec Xiaolin Nan du département de génie biomédical de l'Oregon Health &Science University à Portland pour poursuivre l'utilisation des nano-cercles en imagerie biologique. Le projet fait partie des 10 projets financés dans le cadre du programme de subvention de démarrage collaboratif 2018 OHSU-UO. Pluth est bénéficiaire d'une subvention de démarrage distincte dans le programme.

"Nous n'avons rien vu de tel que ces nano-cercles dans le monde de la chimie des colorants auparavant, " a déclaré le co-auteur de l'étude Bruce P. Branchaud, professeur émérite de chimie et de biochimie à l'UO et scientifique distingué au Cancer Early Detection Advanced Research Center du Knight Cancer Institute de l'OHSU.

"Tous les autres colorants ont été plats, alors que ces nanocercles sont des cercles non plans, " Il a dit. " Leurs structures uniques fournissent des propriétés uniques que nous avons l'intention de développer et d'exploiter pour de nouvelles contributions significatives à la biologie chimique, biotechnologie, sciences biomédicales et médecine."