Les travaux de scientifiques des universités Rice et Stanford ont révélé que les protéines d'albumine de sérum bovin incitent les nanotiges d'or à former des assemblages chiraux droitiers tout en produisant des signaux plasmoniques chiraux correspondants. Le phénomène pourrait conduire à une technique permettant aux chercheurs de déterminer la pureté chirale des protéines essentielles à la conception de médicaments. Crédit :Rashad Baiyasi/Université du riz
C'est toujours bien quand ton intuition s'avère juste, mais les scientifiques de l'Université Rice qui étudient les protéines et les particules avaient plus « raison » qu'ils ne s'y attendaient.
Les chimistes du riz Christy Landes et Stephan Link et l'auteur principal et boursier postdoctoral Smalley-Curl Qingfeng Zhang ont rapporté cette semaine dans Science que l'albumine de sérum bovin (BSA), une protéine standard dans l'expérimentation nano-bio lab, est enclin à pousser des nanotiges d'or dans des assemblages chiraux droitiers, tout en produisant des signaux plasmoniques chiraux correspondants.
Le résultat a été une surprise pour les chercheurs qui ont entrepris de démêler les interactions mystérieuses dans des mélanges de nanotiges de BSA et d'or :l'agrégation de nanoparticules métalliques en assemblages chiraux, chiralité des protéines, et les propriétés plasmoniques qui en résultent. La lumière déclenche des mélanges de particules et de protéines pour diffuser la lumière polarisée, mais jusqu'à présent, les chercheurs ne savaient pas quelles interactions au sein du mélange étaient responsables du signal et, le plus important pour les futures applications de détection, s'ils pouvaient être affinés.
Le travail laisse entendre qu'il peut devenir possible de sentir la maniabilité, ou chiralité, de protéines simples, une aubaine potentielle pour les sociétés pharmaceutiques qui exigent la pureté des médicaments. Une molécule avec la chiralité correcte peut sauver une vie, tandis que la même molécule de la chiralité opposée peut être hautement toxique.
Les expériences Rice ont révélé une chiralité à plusieurs niveaux dans la façon dont les protéines BSA incitaient les particules de 100 nanomètres de long à s'aligner et dans la façon dont les plasmons des particules réagissaient à la lumière en présence de protéines beaucoup plus petites. (Les plasmons sont des ondes électroniques résonantes qui ondulent le long de la surface d'une particule métallique lorsqu'elles sont déclenchées par la lumière.)
La réponse a été mesurée sous forme de dichroïsme circulaire (CD), qui est un moyen de mesurer si la rotation du champ électrique d'une onde lumineuse a une interaction préférentielle avec le matériau dans le sens des aiguilles d'une montre (droite) ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (gauche).
Les signaux CD sont généralement faibles, mais encore aider à caractériser la conformation moyenne des ensembles de protéines. Dans l'étude Rice, les plasmons ont agi comme des antennes pour amplifier le CD à partir des protéines chirales adsorbées en surface, déplacer le signal de l'ultraviolet vers le visible, appelé CD couplé au plasmon.
Link a déclaré que la CD couplée au plasmon avait déjà été observée pour des mélanges de nanoparticules simples, agrégats et molécules chirales, mais aucune étude jusqu'à présent n'a révélé si toutes les molécules et nanoparticules contribuaient de manière égale au signal.
Ils ne le font pas dans ce cas. L'étude a révélé que seuls les complexes nanotige-protéine agrégés produisent un signal CD, causés à la fois par des protéines dans les espaces entre les nanoparticules et par des assemblages chiraux de nanoparticules.
Le boursier postdoctoral de l'Université Rice, Qingfeng Zhang, travaille dans le laboratoire laser où lui et ses collègues ont découvert l'interaction chirale inhabituelle entre les nanotiges d'or et les protéines d'albumine de sérum bovin, le sujet d'un article en Science. Leur travail a révélé que les protéines incitent les nanotiges d'or à former des assemblages chiraux droitiers tout en produisant des signaux plasmoniques chiraux correspondants. Le phénomène pourrait conduire à une technique permettant aux chercheurs de déterminer la pureté chirale des protéines essentielles à la conception de médicaments. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
C'était une surprise complète, Landes a dit, que les protéines dirigeaient l'assemblage des nanotiges chirales de telle manière que la maniabilité de l'assemblage corresponde à la maniabilité des protéines. "Nous essayions de tester une hypothèse sur l'origine du signal chiral que d'autres personnes ont rapporté dans des études d'ensembles de nanoparticules, " dit-elle. " Est-ce à partir de nanostructures chirales ? Est-ce de la protéine? Et nous avons trouvé que c'est les deux.
"En outre, la biomolécule protéique avec une maniabilité préférentielle induit cette maniabilité dans des agrégats de nanotiges beaucoup plus gros, " Landes a déclaré. "C'était la découverte à laquelle nous ne nous attendions tout simplement pas."
Link a expliqué que la chiralité des nanotiges est une question de positionnement. "Deux nanotiges perpendiculaires sont achirales, " dit-il. " S'ils sont parallèles, ils sont achiraux. Mais s'ils sont alignés à d'autres angles, ils sont chiraux. La difficulté était de concevoir une expérience pour déterminer d'où vient le CD lorsque vous avez des mélanges de protéines, nanotiges et agrégats achiraux et chiraux."
En utilisant une nouvelle technique développée dans le laboratoire Link appelée spectroscopie de diffusion différentielle circulaire (CDS) à particule unique, les chercheurs ont confirmé que seuls les complexes nanotige-BSA agrégés présentaient une chiralité. Lorsque les agrégats ont été excités par la lumière visible, l'effet d'antenne des points chauds plasmoniques a amplifié la réponse chirale normalement faible des protéines dans les espaces interparticulaires.
Clé de leur succès, Landes a dit, était un programme d'imagerie personnalisé par Rashad Baiyasi, étudiant diplômé et co-auteur de Rice, qui leur permettait d'identifier des particules uniques et de petits agrégats parmi les échantillons à l'échelle nanométrique, puis de relier la spectroscopie aux points chauds et à l'ordre préférentiel.
Les congés sabbatiques de printemps pour Landes et Link se sont également avérés être un timing parfait pour le projet, comme ils ont attiré l'attention de la co-auteur Jennifer Dionne, directeur du Stanford Photonics Research Center et spécialiste de la microscopie électronique cryogénique. Dionne a montré que la congélation des solutions particules-protéines permettrait aux chercheurs de voir directement comment les particules s'alignaient en 3-D.
Cela a permis d'éliminer toute incertitude selon laquelle l'aplatissement des assemblages chiraux sur une surface modifiait le signal.
Dans une autre expérience, les chercheurs ont remplacé la BSA par du sel de table dissous pour voir comment les particules réagissaient. Ils ont découvert que les nanotiges s'agrégeraient, mais dans un mélange d'arrangements achiraux et chiraux ayant la même quantité d'espèces gauchers et droitiers sans une latéralité globale préférée, et donc sans signal CD d'ensemble. "Cela a confirmé que la BSA biaise la formation d'une certaine maniabilité des nanostructures, " a déclaré Link. "Nous ne savons toujours pas pourquoi ou à quel point ce phénomène est général."
Landes a déclaré que les chercheurs sont "environ 14 étapes" pour juger de la chiralité d'une seule protéine. Si c'est possible, elle a déclaré que la découverte de Rice pourrait fournir la seule voie vers une détection sans étiquette de conformations de protéines uniques. Cela a une valeur au-delà de toute mesure pour les chimistes pharmaceutiques qui ont du mal à créer des lots de protéines avec une maniabilité particulière, un facteur critique dans la conception de médicaments.
"Le rêve ultime comporte deux parties :la première est que nous puissions détecter dynamiquement les conformations de protéines uniques, et l'autre est que nous pouvons le faire à l'intérieur de tissus vivants, " Landes a déclaré. "Il n'y a aucun moyen que vous puissiez utiliser la lumière ultraviolette (invisible) pour faire cela. La seule façon d'imager à l'intérieur de quelque chose de vivant - une cellule ou un animal - serait de déplacer cette lumière vers le rouge, comme nous l'avons fait dans ces expériences."
