p Ser capaz de rastrear biomoléculas individuais e observá-las em funcionamento é o sonho de todo bioquímico. Isso permitiria aos cientistas pesquisar em detalhes e compreender melhor o funcionamento das nanomáquinas da vida, tais como ribossomos e DNA polimerases. Pesquisadores do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz deram um grande passo em direção a esse objetivo. Usando uma microestrutura óptica e nanopartículas de ouro, eles amplificaram a interação da luz com o DNA a ponto de agora poderem rastrear as interações entre segmentos individuais de moléculas de DNA. Ao fazer isso, eles se aproximaram dos limites do que é fisicamente possível. Seu biossensor óptico para moléculas individuais não marcadas também pode ser um avanço no desenvolvimento de biochips:mini-laboratórios do tamanho de uma unha em dispositivos analíticos móveis podem testar uma gota de sangue para várias doenças simultaneamente ou facilitar análises ambientais abrangentes com muito pouco material de amostra. p Nossa compreensão dos processos vitais fundamentais foi possibilitada pelo conhecimento de como as biomoléculas individuais interagem umas com as outras. Nas células, nanomáquinas, como ribossomos e DNA polimerases, unem moléculas individuais para formar estruturas biológicas complexas, como proteínas e moléculas de DNA, os repositórios de informação genética. Embora seja possível investigar a interação de moléculas individuais com enzimas ou ribossomos, as moléculas muitas vezes precisam ser rotuladas, por exemplo, com marcadores fluorescentes, a fim de observá-los. Contudo, tal rotulagem só é possível com certas moléculas, e pode interferir na função das nanomáquinas biológicas. Embora a luz possa ser usada para detectar biomoléculas não marcadas, a abordagem não pode ser usada para detectar moléculas de DNA individuais, como a interação das ondas de luz com a molécula é muito fraca.

p Uma equipe de físicos chefiada por Frank Vollmer, do Laboratório de Nanofotônica e Biossensores do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, agora conseguiu amplificar a interação da luz com as moléculas de DNA, de modo que seu biossensor fotônico pode ser usado para observar um único moléculas não marcadas e suas interações.

p Uma microesfera se torna uma galeria ótica de sussurros

p Para alcançar isto, os físicos usam contas de vidro com cerca de 60 micrômetros de diâmetro, sobre a espessura de um cabelo humano, e nanofios de ouro de aprox. 12 nanômetros de diâmetro e 42 nanômetros de comprimento. O fio de ouro tem, portanto, apenas cerca de um décimo de milésimo da espessura de um fio de cabelo. A microesfera e o nanofio amplificam a interação entre a luz e as moléculas. Com a ajuda de um prisma, os pesquisadores lançam luz laser na microesfera. A luz é repetidamente refletida na superfície interna da esfera até, em última análise, ele se propaga ao longo da superfície interna, semelhante à forma como as ondas sonoras viajam ao longo das paredes de um recinto circular ou galeria sussurrante:quando alguém sussurra em uma extremidade da galeria abobadada ou abobadada, uma pessoa do outro lado pode ouvi-lo do outro lado, mesmo a uma distância excepcionalmente longa. Isso ocorre porque as ondas sonoras não perdem intensidade à medida que viajam.

p Se uma molécula é fixada à superfície da conta de vidro, o feixe de luz passa por ele mais de cem mil vezes. Como a onda de luz sempre se estende um pouco para fora da microesfera, uma interação ocorre entre ele e a molécula. Essa interação é muito amplificada devido ao contato frequente entre a luz e a molécula. Contudo, a interação ainda é muito fraca para registrar moléculas únicas.

p Vollmer e seus colegas, portanto, fixam um nanofio na superfície do cordão de vidro. A luz que passa zunindo gera plasmons:oscilações coletivas de elétrons. "Os plasmons puxam a onda de luz um pouco mais para fora da microesfera de vidro, "Vollmer explica. Isso amplifica a intensidade do campo da onda de luz por um fator de mais de mil. O ganho no sinal é então suficiente para detectar biomoléculas individuais, como fragmentos de DNA. Os pesquisadores baseados em Erlangen fizeram exatamente isso. Eles anexaram um fragmento de DNA de fita simples, que sempre ocorre na forma de uma fita dupla no núcleo da célula, para o nanofio montado na microesfera. Quando uma correspondência, ou seja, complementar, O fragmento de DNA se liga à "isca" no nanofio, o comprimento de onda da luz muda e é amplificado pela microesfera e nanofio. Essa mudança pode ser medida.

p Diferentes seções de fita podem ser distinguidas por seu comportamento de ligação

p Contudo, the physicists used a shorter DNA fragment than is usual in similar procedures. Like a short piece of tape on a wall, short DNA fragments do not adhere strongly to each other, so that the strands separate again relatively quickly. Portanto, new fragments are able to bind repeatedly to the molecular "bait", including fragments that are not fully complementary. Desta maneira, it is possible to investigate how long the DNA fragments interact with each other and how often the "bait" captures a segment. "This approach makes it possible to use a single DNA receptor and to follow its successive interactions with various DNA segments in the sample solution, " says Frank Vollmer. "Based on the duration and frequency of the measured interactions, it is then possible to detect specific unlabelled DNA molecules."

p The researchers have tested their optical biosensor with a sample containing both an exactly matching DNA fragment and a fragment that was not perfectly complementary. They were able to distinguish the two fragments based on their different kinetics.

p Even in nature, the bonds formed between molecules and nanomachines are fleeting. Thanks to the new method, it is now possible to explore such natural kinetics in greater detail, says Frank Vollmer. "More research is needed, " says the physicist, who is looking forward to tackling future challenges.

p The researchers in Erlangen are already planning future projects. "It's possible to observe, por exemplo, how an enzyme such as DNA polymerase synthesizes DNA, " explains Vollmer. The scientists would also like to integrate their photonic biodetector into optical microchips for use in clinical diagnostics.