(Phys.org) —O termo um "futuro mais brilhante" pode ser um clichê, mas no caso de sondas ultrapequenas para iluminar proteínas individuais, agora é mais apropriado. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram novas regras surpreendentes para a criação de cristais emissores de luz ultrabrilhantes com menos de 10 nanômetros de diâmetro. Essas nanossondas ultracurvas, mas ultrabrilhantes, devem ser um grande trunfo para imagens biológicas, especialmente imagens ópticas de tecidos profundos de neurônios no cérebro.

Trabalhando na Fundição Molecular, um centro nacional de nanociências do DOE hospedado no Berkeley Lab, uma equipe multidisciplinar de pesquisadores liderada por James Schuck e Bruce Cohen, ambos com a Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, usou a caracterização avançada de uma única partícula e modelagem teórica para estudar o que é conhecido como "upconverting nanoparticles" ou UCNPs. Upconversion é o processo pelo qual uma molécula absorve dois ou mais fótons com uma energia mais baixa e os emite com energias mais altas. A equipe de pesquisa determinou que as regras que regem o projeto de sondas UCNP para conjuntos de moléculas não se aplicam às sondas UCNP projetadas para moléculas únicas.

"A sabedoria convencional amplamente aceita para projetar UCNPs brilhantes é que você deseja usar uma alta concentração de íons sensibilizadores e uma concentração relativamente pequena de íons emissores, uma vez que muitos emissores resultarão em auto-extinção que leva a um brilho mais baixo, diz Schuck, que dirige a unidade de processamento de imagens e manipulação de nanoestruturas da Molecular Foundry. "Nossos resultados mostram que sob os poderes de excitação mais elevados usados ​​para a geração de imagens de partículas individuais, as concentrações do emissor devem ser as mais altas possíveis, sem comprometer a estrutura do nanocristal, enquanto o conteúdo do sensibilizador pode ser potencialmente eliminado. "

Schuck e Cohen são os autores correspondentes de um artigo que descreve essa pesquisa na Nature Nanotechnology. O artigo é intitulado "Engenharia de nanocristais subconvertidos de sub-10 nm brilhantes para imagens de molécula única". Os co-autores são Daniel Gargas, Emory Chan, Alexis Ostrowski, Shaul Aloni, Virginia Altoe, Edward Barnard, Babak Sanii, Jeffrey Urban e Delia Milliron.

As proteínas são um dos blocos de construção fundamentais da biologia. As células que compõem os tecidos e órgãos são construídas a partir de conjuntos de proteínas que interagem com outras biomoléculas, enquanto outras proteínas controlam quase todos os processos químicos dentro de uma célula. Estudando a localização, conjunto, e o movimento de proteínas específicas é essencial para entender como as células funcionam e o que está errado nas células doentes. Os cientistas costumam estudar proteínas dentro das células, rotulando-as com sondas emissoras de luz, mas encontrar sondas que são brilhantes o suficiente para imagens, mas não tão grandes a ponto de interromper a função da proteína tem sido um desafio. As moléculas de corante orgânico fluorescente e os pontos quânticos semicondutores atendem aos requisitos de tamanho, mas impõem outras limitações.

"Corantes orgânicos e pontos quânticos piscarão, o que significa que eles ligam e desligam aleatoriamente, o que é bastante problemático para imagens de molécula única, e vai fotodegradação, desligar permanentemente, geralmente após menos de 10 segundos na maioria das condições de imagem, "Schuck diz.

Cinco anos atrás, Cohen e Schuck e seus colegas da Molecular Foundry sintetizaram e obtiveram imagens de UCNPs únicos feitos de nanocristais de fluoreto de ítrio de sódio (NaYF4) dopados com vestígios dos elementos lantanídeos itérbio, para os íons sensibilizadores, e érbio, para os íons emissores. Esses UCNPs foram capazes de converter os fótons do infravermelho próximo em luz visível verde ou vermelha, e sua fotoestabilidade torna-as sondas luminescentes potencialmente ideais para imagens de uma única molécula.

"As células não contêm naturalmente lantanídeos, então eles não convertem luz em tudo, o que significa que podemos criar imagens sem qualquer plano de fundo mensurável, "Cohen diz." E podemos excitar com luz infravermelha próxima, que é muito menos prejudicial às células do que a luz visível ou ultravioleta. Estas são ótimas propriedades, mas para tornar nossos UCNPs mais compatíveis com imagens celulares, tivemos que desenvolver novos métodos sintéticos para torná-los menores. "

Contudo, quando os cientistas da Foundry reduziram o tamanho do UCNP, seguindo as regras de design convencionais, eles descobriram que a perda de brilho se tornou um grande problema. UCNPs menores que 10 nanômetros não eram mais brilhantes o suficiente para imagens de uma única molécula. Isso levou ao novo estudo, que mostrou que fatores conhecidos por aumentar o brilho em experimentos em massa perdem importância em potências de excitação mais altas e que, paradoxalmente, as sondas mais brilhantes sob excitação de uma única molécula mal são luminescentes no nível do conjunto.

"Esta descoberta surgiu realmente como consequência do ambiente colaborativo multidisciplinar na Fundição Molecular, "diz Daniel Gargas, co-autor principal do artigo da Nature Nanotechnology. "Utilizando nosso contato diário e amizades com cientistas em toda a Fundição, fomos capazes de realizar pesquisas altamente avançadas em materiais em nanoescala que incluíam o estudo da fotofísica de uma única molécula, a capacidade de sintetizar nanocristais de conversão ascendente ultrapequenos de quase qualquer composição, e a modelagem / simulação avançada das propriedades ópticas do UCNP. Não há muitas instalações no mundo que possam corresponder a essa atmosfera colaborativa com níveis tão altos de caracterização científica. "

UCNPs fazem uso de íons sensibilizadores, como itérbio, com seções transversais de absorção de fótons relativamente grandes, para absorver a luz que entra e transferir esta energia absorvida para os íons emissores, como érbio, que luminesce. O UCNPs dopado com lantanídeo original continha 20 por cento de itérbio e 2 por cento de érbio, que se acreditava serem as concentrações ideais para brilho tanto em massa quanto em nanocristais. Contudo, o novo estudo da Molecular Foundry mostrou que, para UCNPs menores que 10 nanômetros, a concentração de érbio pode ser aumentada para 20 por cento e a concentração de itérbio pode ser reduzida para 2 por cento, ou mesmo eliminado para UCNPs que se aproximam de cinco nanômetros.

"As pessoas costumam presumir que as partículas mais brilhantes em potências baixas também serão as mais brilhantes em potências altas, mas descobrimos que nossos UCNPs ultrapequenos são um exemplo clássico de tartaruga e lebre, "diz Emory Chan, o outro co-autor principal do artigo da Nature Nanotechnology. "UCNPs fortemente dopados com érbio começam lentamente a sair do portão, sendo incrivelmente fraco em baixas potências, mas quando a intensidade do laser é aumentada para alta potência, eles rejeitaram os UCNPs dopados de maneira convencional, que são os que mais ganham nas potências baixas. "

Os modelos de computador de Chan prevêem que as novas regras são universais para hosts nanocristais dopados com lantanídeo e ele agora está usando o robô WANDA da Foundry (estação de trabalho para descoberta e análise automatizada de nanomateriais), que ele desenvolveu junto com a co-autora Delia Milliron, para criar e selecionar as melhores composições de UCNP com base em diferentes considerações e critérios de operação / aplicação.

No decorrer da descoberta das novas regras para projetar UCNPs ultrapequenos, a equipe de pesquisa também descobriu que níveis complexos de heterogeneidade existem nos espectros de emissão desses UCNPs. Isso sugere que as emissões dos UCNPs podem se originar de apenas um pequeno subconjunto do total de emissores.

"Estudos futuros podem determinar como projetar partículas consistindo apenas desses superemissores, resultando em emissões ainda mais brilhantes de UCNPs ultrapequenos, "Gargas diz.