Une équipe de recherche dirigée par l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) a développé une plate-forme de spectroscopie Raman à surface améliorée (SERS) contrôlée par une pince optique plasmonique qui utilise le contrôle marche-arrêt de la lumière pour sonder diverses espèces d'amyline dans des mélanges. au niveau d'une molécule unique, dévoilant les structures hétérogènes des espèces d'amyline dépendantes du pH et les secrets des mécanismes d'agrégation amyloïde associés au diabète de type 2.

En supprimant la moyenne d'ensemble, les techniques monomoléculaires discernent le signal de molécules individuelles pour dévoiler des détails cachés et révolutionner notre compréhension des systèmes moléculaires complexes et hétérogènes. Les approches actuelles à molécule unique sont limitées à l'ultra-dilution et/ou à l'immobilisation moléculaire car le volume de détection limité par la diffraction ne peut pas être davantage réduit.

Alors que certaines biomolécules s’engagent dans diverses interactions qui sont significativement affectées par les concentrations. Par exemple, en tant que protéine intrinsèquement désordonnée typique, le polypeptide amyloïde des îlots humains (amyline, hIAPP) manque de structures secondaires stables mais possède une propension à l'agrégation régie par des facteurs environnementaux, tels que la concentration et le pH, pour former différents intermédiaires oligomères et fibrilles amyloïdes dans le diabète de type II. patients.

Le mécanisme moléculaire reste flou, en raison des défis liés à la détection des espèces d'amyline rares, transitoires et hétérogènes dans un mélange dynamique, ce qui nécessite le développement de méthodes avancées à molécule unique.

Dans le cadre d'une avancée récente, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Huang Jinqing, professeur adjoint au département de chimie de HKUST, a développé avec succès une nouvelle plate-forme à molécule unique combinant la manipulation optique plasmonique et la mesure SERS pour réduire le volume de détection et augmenter l'amélioration du signal, permettant ainsi une efficacité et une efficacité accrues. Caractérisation à haut débit d'une molécule unique pour étudier les espèces d'amyline dépendantes du pH à des concentrations physiologiques.

Plus précisément, l'équipe a construit une jonction plasmonique entre deux microbilles de silice recouvertes de nanoparticules d'Ag pour piéger une nanoparticule d'Ag supplémentaire afin de former une nanocavité dynamique lors de l'irradiation laser, qui pourrait encapsuler une ou quelques molécules pour des caractérisations SERS sensibles.

Étant donné que le piégeage optique plasmonique et les phénomènes SERS sont spatialement confinés à l'échelle nanométrique, ils dépassent la limite de diffraction optique pour permettre un contrôle précis de la position, minimiser le volume de détection et augmenter simultanément l'amélioration du SERS.

De plus, les dimères de microbilles de silice recouverts de nanoparticules d'Ag sont plus stables que les nanoparticules d'Ag classiques assemblées dans des solutions, ce qui facilite l'observation et la localisation de la jonction plasmonique sur des microscopes ordinaires afin d'améliorer l'efficacité et la reproductibilité. En commutant la lumière laser entre les états « activé » et « désactivé », les chercheurs peuvent contrôler le piégeage optique plasmonique pour moduler l'assemblage et le démontage de la nanocavité dynamique pour un échantillonnage à haut débit et des mesures SERS simultanées.

Grâce à cette plateforme efficace à molécule unique, l'équipe de recherche a exploité une quantité statistiquement significative de spectres SERS sous-jacents aux caractéristiques structurelles de diverses espèces d'amyline dans deux conditions physiologiques distinctes :les granules sécrétoires des cellules β pancréatiques à pH 5,5 et les compartiments extracellulaires à pH 7.4, respectivement.

Deux types d'espèces d'amyline peu peuplées ont été identifiées à partir de leurs monomères prédominants au stade précoce de l'agrégation amyloïde à pH neutre, contenant une structure tournante critique ou une courte épingle à cheveux β avec un C-terminal contraint, comme le soutiennent des simulations de dynamique moléculaire (MD). .

Un si léger changement dans l’équilibre entre les différentes espèces d’amyline pourrait entraîner un développement amyloïde irréversible même après le post-ajustement du pH de 7,4 à 5,5. Par conséquent, la caractérisation structurelle directe de ces espèces d'amyline au sein de mélanges hétérogènes indique l'impact du pH sur leurs interactions intra- et intermoléculaires et met en lumière le mécanisme derrière l'agrégation amyloïde régulée par le pH pour comprendre le diabète de type 2.

"Nous présentons une stratégie facile à utiliser qui réduit le volume de détection, améliore le signal moléculaire et augmente l'efficacité du chiffre d'affaires", a expliqué le professeur Huang. « Notre plate-forme monomoléculaire peut acquérir une grande quantité de spectres SERS sous forme d'instantanés moléculaires, comparables à ceux obtenus grâce aux simulations MD. En analysant statistiquement les détails structurels au niveau d'une molécule unique, nous sommes en mesure de reconstruire les propriétés globales et d'acquérir des propriétés uniques. des informations sur la population et la probabilité de types de molécules spécifiques au sein du mélange hétérogène. Il a le potentiel de découvrir des mystères cachés dans des systèmes complexes. "

L'étude a été récemment publiée dans Nature Communications .

Plus d'informations : Wenhao Fu et al, Caractérisation efficace par SERS d'une molécule unique contrôlée par une pince à épiler optique plasmonique des espèces d'amyline dépendantes du pH dans les milieux aqueux, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-42812-3

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Université des sciences et technologies de Hong Kong