p No coração do sistema imunológico que protege nossos corpos de doenças e invasores estrangeiros está uma vasta e complexa rede de comunicações envolvendo milhões de células, enviar e receber sinais químicos que podem significar vida ou morte. No centro dessa vasta rede de sinalização celular estão as interações entre bilhões de proteínas e outras biomoléculas. Essas interações, por sua vez, são grandemente influenciados pelo padrão espacial de sinalização e moléculas receptoras. A capacidade de observar padrões espaciais de sinalização no sistema imunológico e em outros sistemas celulares à medida que evoluem, e estudar o impacto nas interações moleculares e, em última análise, comunicação celular, seria uma ferramenta crítica na luta contra distúrbios imunológicos e outros que levam a uma ampla gama de problemas de saúde, incluindo câncer. Essa ferramenta está agora à mão. p Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade da Califórnia (UC) em Berkeley, desenvolveram a primeira aplicação prática de nanoantenas ópticas em biologia de membrana celular. Uma equipe científica liderada pelo químico Jay Groves desenvolveu uma técnica para amarrar membranas lipídicas artificiais com bilhões de nanoantenas "gravatas-borboleta" de ouro. Por meio do fenômeno conhecido como "plasmônica, "essas nanoantenas podem aumentar a intensidade de um sinal óptico fluorescente ou Raman de uma proteína que passa por um" ponto quente "plasmônico dezenas de milhares de vezes sem que a proteína seja tocada.

p "Nossa técnica é minimamente invasiva, uma vez que o aprimoramento dos sinais ópticos é obtido sem exigir que as moléculas interajam diretamente com a nanoantena, "Groves diz." Esta é uma melhoria importante em relação aos métodos que dependem da adsorção de moléculas diretamente nas antenas onde sua estrutura, orientação, e o comportamento pode ser alterado. "

p Groves tem nomeações conjuntas com a Divisão de Biociências Físicas do Berkeley Lab e com o Departamento de Química da UC Berkeley, e também é investigador do Howard Hughes Medical Institute. Ele é o autor correspondente de um artigo que relata esses resultados na revista. Nano Letras . O artigo é intitulado "Rastreamento de molécula única em membranas suportadas com matrizes de nanoantenas ópticas". Os co-autores do artigo foram Theo Lohmuller, Lars Iversen, Mark Schmidt, Christopher Rhodes, Hsiung-Lin Tu e Wan-Chen Lin.

p Emissões fluorescentes, em que as biomoléculas de interesse são marcadas com corantes que fluorescem quando estimulados pela luz, e espectroscopia Raman, em que o espalhamento de luz por vibrações moleculares é usado para identificar e localizar biomoléculas, são técnicas de imagem óptica de trabalho cujo valor foi ainda mais realçado pelo surgimento de plasmônicos. Em plasmonics, ondas de luz são comprimidas em áreas com dimensões menores que a metade do comprimento de onda dos fótons incidentes, tornando possível a aplicação de técnicas de imagem óptica a objetos em nanoescala, como biomoléculas. Partículas de ouro nanométricas no

p forma de triângulos que são pareados em uma formação ponta a ponta, como uma gravata borboleta, podem servir como antenas ópticas, captura e concentração de ondas de luz em pontos quentes bem definidos, onde o efeito plasmônico é grandemente amplificado. Embora o conceito esteja bem estabelecido, aplicá-lo a estudos biomoleculares tem sido um desafio porque os arranjos de partículas de ouro devem ser fabricados com espaçamento nanométrico bem definido, e as moléculas de interesse devem ser entregues aos pontos quentes plasmônicos.

p "Somos capazes de fabricar bilhões de nanoantenas de ouro em uma membrana artificial por meio de uma combinação de litografia coloidal e processamento de plasma, "Groves diz." O espaçamento controlado das lacunas da nanoantena é obtido aproveitando-se do fato de que as partículas de poliestireno derretem juntas em seu ponto de contato durante o processamento do plasma. O resultado é um espaçamento bem definido entre cada par de triângulos de ouro na matriz final com uma distância ponta a ponta entre os nanotriangulos de ouro vizinhos medindo na faixa de 5 a 100 nanômetros. "

p Até agora, Groves diz, não foi possível desacoplar o tamanho dos nanotriangulos de ouro, que determina sua frequência de ressonância de plasmão de superfície, da distância ponta a ponta entre as características individuais das nanopartículas, que é responsável por potencializar o efeito plasmônico. Com sua abordagem de litografia coloidal, uma monocamada hexagonal de automontagem de esferas de polímero é usada para mascarar a sombra de um substrato para a deposição subsequente das nanopartículas de ouro. Quando a máscara coloidal é removida, o que resta são grandes arranjos de nanopartículas de ouro e triângulos sobre os quais a membrana artificial pode ser formada.

p As membranas artificiais únicas, que Groves e seu grupo de pesquisa desenvolveram anteriormente, são outra chave para o sucesso desta última conquista. Feito de uma bicamada fluida de moléculas de lipídios, essas membranas são as primeiras plataformas biológicas que podem combinar nanopadronização fixa com a mobilidade de bicamadas de fluido. Eles fornecem uma capacidade sem precedentes para o estudo de como os padrões espaciais de propriedades químicas e físicas em superfícies de membrana influenciam o comportamento das células.

p "Quando incorporamos nossas membranas artificiais com nanoantenas de ouro, podemos traçar as trajetórias de proteínas individuais que se difundem livremente à medida que passam sequencialmente e são aprimoradas pelas lacunas múltiplas entre os triângulos, "Groves diz." Isso nos permite estudar um sistema realista, como uma célula, que pode envolver bilhões de moléculas, sem o aprisionamento estático das moléculas. "

p Como as moléculas nas células vivas estão geralmente em um estado de movimento perpétuo, muitas vezes são seus movimentos e interações com outras moléculas, em vez de posições estáticas, que determinam suas funções dentro da célula. Groves diz que qualquer técnica que requeira adsorção direta de uma molécula de interesse em uma nanoantena remove intrinsecamente essa molécula do conjunto funcional que é a essência de seu comportamento natural. A técnica que ele e seus co-autores desenvolveram permite que eles olhem para biomoléculas individuais, mas dentro do contexto de sua comunidade circundante.

p "The idea that optical nanoantennas can produce the kinds of enhanced signals we are observing has been known for years but this is the first time that nanoantennas have been fabricated into a fluid membrane so that we can observe every molecule in the system as it passes through the antenna array, " Groves says. "This is more than a proof-of-concept we've shown that we now have a useful new tool to add to our repertoire."