p (Phys.org) - Imagine rastrear um cervo através de uma floresta prendendo um transmissor de rádio em sua orelha e monitorando a localização do cervo remotamente. Agora imagine que o transmissor é do tamanho de uma casa, e você entende o problema que os pesquisadores podem encontrar quando tentam usar nanopartículas para rastrear proteínas em células vivas. p Compreender como uma proteína se move ao redor de uma célula ajuda os pesquisadores a entender a função da proteína e os mecanismos celulares para a produção e processamento de proteínas. Esta informação também ajuda os pesquisadores a estudar doenças, que em um nível celular pode significar que uma proteína está funcionando mal, deixa de ser feito, ou é enviado para a parte errada da célula. Mas as sondas de nanopartículas que são muito grandes podem interromper as atividades normais de uma proteína.

p Agora, uma equipe de cientistas liderada por Bruce Cohen da Fundição Molecular do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, um centro de nanociências do Departamento de Energia dos EUA (DOE), descobriu como fazer crescer nanocristais emissores de luz pequenos o suficiente para não interromper a atividade celular, mas brilhantes o suficiente para serem fotografados um de cada vez. Cohen é o autor correspondente de um artigo em 16 de fevereiro, Edição de 2012 de ACS Nano descrevendo este trabalho intitulado, “Controlled Synthesis and Single-Particle Imaging of Bright, Nanocristais de conversão ascendentes dopados com lantanídeo sub-10 nm. ”Os co-autores são Alexis Ostrowski, Emory Chan, Daniel Gargas, Elan Katz, Gang Han, James Schuck, e Delia Milliron.

p “Os cientistas vêm tentando há anos estudar o comportamento das proteínas, marcando-as com sondas emissoras de luz, ”Disse Cohen. “Mas o problema é encontrar o tipo certo de sonda. Nossa abordagem é fazer com que as sondas de nanopartículas de conversão sejam pequenas o suficiente para que não interrompam o comportamento da proteína. ”

p Fazendo uma investigação melhor

p No passado, os pesquisadores usaram moléculas fluorescentes ou pontos quânticos como sondas. Usando ótica e microscópios de última geração, os pesquisadores podem resolver a luz proveniente de moléculas individuais ligadas a proteínas, que diz a eles onde a proteína está em uma célula. As moléculas de sonda nesses experimentos tendem a se degradar ou "fotodegradação" rapidamente, limitando os pesquisadores a apenas alguns segundos de imagem contínua ou uma série de imagens tiradas com segundos de intervalo. As sondas alternativas, pontos quânticos, sofrem menos de fotodegradação, mas, em vez disso, acendem e apagam, limitando de forma semelhante sua utilidade como sondas.

p A equipe da Foundry queria evitar piscar e branquear, então eles se voltaram para nanocristais de fluoreto de ítrio de sódio (NaYF ₄ ) com traços de elementos lantanídeos itérbio e érbio, que, eles descobriram, emitir brilhante, luz constante ideal para bioimagem. Mais importante, esses nanocristais "convertem" a luz, absorvendo fótons de baixa energia e reemitindo-os em energias mais altas.

p “Normalmente, quando algo fluorescente absorve luz, ele emite luz com uma energia um pouco mais baixa. Upconversion vai para o outro lado, realmente aumentando a energia da luz emitida, ”Cohen disse. “No nosso caso, estamos entusiasmados com a luz de baixa energia, próximo ao infravermelho (além do vermelho no espectro visível), e então os nanocristais emitem luz na faixa visível, como verde ou vermelho, que é realmente mais alto em energia. ”

p A vantagem de realizar a conversão ascendente de nanocristais é que as células não convertem a luz por si mesmas. Normalmente, quando os cientistas imaginam uma célula usando sondas moleculares, eles usam luz de comprimento de onda visível para excitar e criar imagens. Infelizmente, muitas coisas na célula também reemitem luz absorvida nesses comprimentos de onda, que cria ruído de fundo na imagem e força os cientistas a usar mais sondas e fontes de luz mais brilhantes. Com a conversão ascendente de nanocristais, os pesquisadores podem estimular suavemente com luz infravermelha e olhar para a luz visível de sondas individuais que se destacam claramente contra um fundo escuro.

p “A outra vantagem da conversão ascendente de nanocristais é que a luz infravermelha próxima é muito menos prejudicial às células do que, dizer, luz visível ou ultravioleta, ”Disse Cohen. “Isso significa que quando fazemos esses longos experimentos de imagem usando intensos poderes de luz para ver moléculas individuais, estamos usando comprimentos de onda que são bastante benignos para as células ”.

p Uma solução combinatória

p Nanocristais de NaYF ₄ pode se formar em duas geometrias diferentes chamadas alfa e beta. Os nanocristais de fase beta são mais eficientes na conversão ascendente e, portanto, melhores para bioimagem, mas também são mais difíceis de crescer. A fim de definir os parâmetros de crescimento para obter beta-NaYF reproduzível ₄ nanocristais, a equipe usou o robô WANDA da Molecular Foundry - a estação de trabalho para descoberta e análise automatizada de nanomateriais - desenvolvido por Emory Chan e Delia Milliron do Berkeley Lab.

p “Nada disso seria possível sem sermos capazes de fazer o que nós da Foundry chamamos de nanociência combinatória. Basicamente, isso significa executar muitas e muitas reações diferentes em WANDA para aprender como controlar o tamanho ou a cor das nanopartículas, ”Disse Cohen. “Já realizamos milhares de reações diferentes para aprender como cultivar essas coisas.”

p Nanopartículas menores significam menos luz, então a equipe teve que encontrar o ponto ideal:

p Quão pequenos eles poderiam torná-los e ainda ser capazes de gerar imagens de nanocristais individuais em um sistema vivo? "Essa é uma das coisas boas de ter esse controle é que não podemos apenas reduzi-los a, dizer, 5 nanômetros, mas também conhecemos as condições para torná-los maiores, se precisarmos torná-los mais brilhantes, ”Cohen disse.

p Para ajudar a entender a geometria de seus nanocristais, o co-autor James Schuck pediu a um estagiário de verão que fizesse um modelo de computador da estrutura do cristal. Andrew Mueller, um estudante do ensino médio da Escola Vistamar em Los Angeles, foi muito além de uma simples estrutura de cristal.

p “Comecei apenas juntando formas com base no que estava na literatura sobre o cristal, ”Disse Mueller. “Então eu queria mostrar como ficava em um nanocristal, então movi a câmera ao redor da estrutura e fiz uma panorâmica para mostrar como os átomos se juntam em um nanocristal.” Mueller mais tarde adicionou a animação de dois fótons sendo absorvidos e convertidos em um único emitido fóton.

p “O vídeo é uma boa resposta à pergunta, o que é um nanocristal? ”disse Cohen. “Você pode ver que isso é realmente apenas algumas centenas ou talvez alguns milhares de átomos em um nanocristal, arranjado em pequeno, padrões regulares. ”

p Próximo, a equipe quer colocar os nanocristais de conversão em ação e mapear proteínas individuais que se movem através de uma célula. “Uma das coisas que gostaríamos de estudar é como dois neurônios se unem, como duas células cerebrais se unem para formar uma sinapse - os espaços entre os neurônios responsáveis ​​por toda a atividade cerebral, ”Cohen disse. “É sabido que existem certos pares de proteínas que vêm juntos de dois neurônios e eles se encontram e formam uma sinapse, mas a questão é, de quantos deles você precisa? Quantos pares de proteínas? É apenas uma interação suficiente para causar a formação de uma sinapse, eles se revertem, e assim por diante? Agora que sabemos como fazer exatamente as nanopartículas que queremos, a próxima etapa é testá-los em uma célula. ”

p Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.