É sempre bom quando sua intuição revela estar certa, mas os cientistas da Rice University que estudam proteínas e partículas estavam mais "certos" do que esperavam.

Os químicos de arroz Christy Landes e Stephan Link e o autor principal e bolsista de pós-doutorado da Smalley-Curl Qingfeng Zhang relataram esta semana em Ciência que albumina de soro bovino (BSA), uma proteína padrão em experimentos de laboratório nano-bio, é propenso a empurrar nanobastões de ouro em conjuntos quirais destros - enquanto produz sinais plasmônicos quirais para corresponder.

O resultado foi uma surpresa para os pesquisadores que se propuseram a desvendar as misteriosas interações em misturas de BSA e nanobastões de ouro:a agregação de nanopartículas metálicas em conjuntos quirais, quiralidade de proteína, e as propriedades plasmônicas resultantes. A luz desencadeia misturas de partículas e proteínas para espalhar a luz polarizada, mas até agora os pesquisadores não sabiam quais interações dentro da mistura eram responsáveis ​​pelo sinal e, mais importante para futuras aplicações de detecção, se eles poderiam ser refinados.

O trabalho sugere que pode ser possível sentir a destreza, ou quiralidade, de proteínas simples, um benefício potencial para as empresas farmacêuticas que exigem pureza de medicamentos. Uma molécula com a quiralidade correta pode salvar uma vida, enquanto a mesma molécula da quiralidade oposta pode ser altamente tóxica.

Os experimentos de Rice revelaram quiralidade multinível na forma como as proteínas BSA levaram as partículas de 100 nanômetros de comprimento a se alinharem e em como os plasmons das partículas responderam à luz na presença de proteínas muito menores. (Plasmons são ondas de elétrons ressonantes que ondulam ao longo da superfície de uma partícula de metal quando acionadas pela luz.)

A resposta foi medida como dicroísmo circular (CD), que é uma maneira de medir se a rotação do campo elétrico de uma onda de luz tem uma interação preferencial com o material no sentido horário (direita) ou anti-horário (esquerda).

Os sinais de CD são geralmente fracos, mas ainda ajudam a caracterizar a conformação média de conjuntos de proteínas. No estudo de Rice, plasmons agiram como antenas para amplificar CD a partir das proteínas quirais adsorvidas na superfície, mudando o sinal do ultravioleta para o visível, referido como CD acoplado a plasmon.

O link do referido CD acoplado a plasmon foi previamente observado para misturas de nanopartículas individuais, agregados e moléculas quirais, mas nenhum estudo até agora revelou se todas as moléculas e nanopartículas contribuíram igualmente para o sinal.

Eles não fazem neste caso. O estudo revelou que apenas os complexos de nanorod-proteína agregados produzem um sinal de CD, causada tanto por proteínas nas lacunas entre as nanopartículas quanto por conjuntos de nanopartículas quirais.

Foi uma surpresa completa, Landes disse, que as proteínas direcionaram a montagem de nanobastões quirais de tal forma que a lateralidade da montagem correspondeu à lateralidade das proteínas. "Estávamos tentando testar uma hipótese sobre a origem do sinal quiral que outras pessoas relataram em estudos de conjuntos de nanopartículas, "disse ela." É de nanoestruturas quirais? É da proteína? E descobrimos que são os dois.

"Além disso, a biomolécula de proteína com uma destreza preferencial induz essa destreza em agregados de nanobastões muito maiores, "Landes disse." Essa foi a descoberta que simplesmente não esperávamos.

Link explicou que a quiralidade dos nanobastões é uma questão de posicionamento. "Dois nanobastões perpendiculares são aquirais, "disse ele." Se eles são paralelos, eles são aquirais. Mas se eles estiverem alinhados em outros ângulos, eles são quirais. A dificuldade foi projetar um experimento para determinar de onde vem o CD quando você tem misturas de proteínas, nanorods e agregados aquirais e quirais. "

Usando uma nova técnica desenvolvida no laboratório de Link chamada espectroscopia de espalhamento diferencial circular de partícula única (CDS), os pesquisadores confirmaram que apenas complexos nanorod-BSA agregados exibiram quiralidade. Quando os agregados foram excitados com luz visível, o efeito de antena dos pontos quentes plasmônicos amplificou a resposta quiral normalmente fraca de proteínas nas lacunas entre as partículas.

Chave para seu sucesso, Landes disse, foi um programa de imagem personalizado do estudante de graduação de Rice e co-autor Rashad Baiyasi que os permitiu identificar partículas únicas e pequenos agregados entre as amostras em nanoescala e, em seguida, relacionar a espectroscopia aos pontos quentes e ordenação preferencial.

As licenças sabáticas de primavera para Landes e Link acabaram sendo o momento perfeito para o projeto também, como eles chamaram a atenção da co-autora Jennifer Dionne, diretor do Stanford Photonics Research Center e especialista em microscopia eletrônica criogênica. Dionne mostrou que congelar as soluções de partículas de proteína permitiria aos pesquisadores ver diretamente como as partículas se alinhavam em 3-D.

Isso ajudou a eliminar qualquer incerteza de que achatar os conjuntos quirais em uma superfície estava mudando o sinal.

Em outro experimento, os pesquisadores substituíram o BSA por sal de mesa dissolvido para ver como as partículas reagiam. Eles descobriram que os nanobastões se agregariam, mas em uma mistura de arranjos aquirais e quirais com a mesma quantidade de espécies destras e canhotas, sem uma preferência geral de destreza, e, portanto, sem um sinal de CD conjunto. "Ele confirmou que o BSA influencia a formação de uma certa lateralidade das nanoestruturas, "Link disse." Ainda não sabemos por que ou quão geral é esse fenômeno. "

Landes disse que os pesquisadores estão "cerca de 14 etapas" para julgar a quiralidade de uma única proteína. Se isso for possível, ela disse que a descoberta de Rice pode fornecer o único caminho para a detecção sem rótulo de conformações de proteína única. Isso tem um valor incomensurável para os químicos farmacêuticos que lutam para criar lotes de proteínas com uma destreza particular, um fator crítico no desenho de medicamentos.

"O sonho final tem duas partes:uma é que podemos detectar conformações de proteínas individuais dinamicamente, e a outra é que podemos fazer isso dentro de tecido vivo, "Landes disse." Nunca há como usar a luz ultravioleta (invisível) para fazer isso. A única maneira de criar imagens dentro de algo vivo - uma célula ou um animal - seria mudar essa luz para o vermelho, como fizemos nesses experimentos. "