Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) desenvolveu uma plataforma de Espectroscopia Raman de Superfície Aprimorada (SERS) controlada por pinça plasmônica óptica que utiliza controle ligado e desligado da luz para sondar várias espécies de amilina em misturas no nível de molécula única, revelando as estruturas heterogêneas das espécies de amilina dependentes do pH e os segredos por trás dos mecanismos de agregação amilóide associados ao diabetes tipo 2.



Ao remover a média do conjunto, as técnicas de molécula única discernem o sinal de moléculas individuais para revelar detalhes ocultos e revolucionar nossa compreensão de sistemas moleculares complexos e heterogêneos. As abordagens atuais de molécula única estão limitadas à ultradiluição e/ou imobilização molecular porque o volume de detecção limitado por difração não pode ser reduzido ainda mais.

Considerando que certas biomoléculas envolvem-se em várias interações que são significativamente afetadas pelas concentrações. Por exemplo, como uma proteína intrinsecamente desordenada típica, o polipeptídeo amilóide de ilhotas humanas (amilina, hIAPP) não possui estruturas secundárias estáveis, mas possui propensão de agregação governada por fatores ambientais, como concentração e pH, para formar diferentes intermediários oligoméricos e fibrilas amilóides no diabetes tipo II. pacientes.

O mecanismo molecular permanece obscuro, devido aos desafios de detecção de espécies de amilina raras, transitórias e heterogêneas em uma mistura dinâmica, exigindo o desenvolvimento de métodos avançados de molécula única.

Em um avanço recente, a equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Huang Jinqing, professor assistente do Departamento de Química da HKUST desenvolveu com sucesso uma nova plataforma de molécula única combinando manipulação plasmônica óptica e medição SERS para reduzir o volume de detecção e elevar o aprimoramento do sinal, permitindo eficiência e caracterização de molécula única de alto rendimento para estudar espécies de amilina dependentes de pH em concentrações fisiológicas.

Especificamente, a equipe construiu uma junção plasmônica entre duas microesferas de sílica revestidas com nanopartículas Ag para capturar uma nanopartícula Ag adicional para formar uma nanocavidade dinâmica após irradiação a laser, que poderia encapsular uma única ou algumas moléculas para caracterizações SERS sensíveis.

Uma vez que tanto o aprisionamento plasmônico óptico quanto os fenômenos SERS estão espacialmente confinados na escala nanométrica, ele ultrapassa o limite de difração óptica para permitir o controle preciso da posição, minimizar o volume de detecção e aumentar o aprimoramento do SERS simultaneamente.

Além disso, os dímeros de microesferas de sílica revestidos com nanopartículas Ag construídos são mais estáveis ​​do que as nanopartículas Ag convencionais montadas em soluções, tornando mais fácil observar e localizar a junção plasmônica em microscópios regulares para melhorar a eficiência e a reprodutibilidade. Ao alternar a luz do laser entre os estados “ligado” e “desligado”, os pesquisadores podem controlar o aprisionamento plasmônico óptico para modular a montagem e desmontagem da nanocavidade dinâmica para amostragem de alto rendimento e medições simultâneas de SERS.

Usando esta plataforma eficiente de molécula única, a equipe de pesquisa aproveitou uma quantidade estatisticamente significativa de espectros SERS subjacentes às características estruturais de várias espécies de amilina sob duas condições fisiológicas distintas:os grânulos secretores das células β pancreáticas em pH 5,5 e os compartimentos extracelulares em pH 7,4, respectivamente.

Dois tipos de espécies de amilina de baixa densidade populacional foram identificados a partir de seus monômeros predominantes no estágio inicial da agregação amilóide em pH neutro, contendo uma estrutura de curva crítica ou um gancho β curto com terminal C restrito, conforme suportado por simulações de dinâmica molecular (MD). .

Uma mudança tão ligeira no equilíbrio entre as diferentes espécies de amilina poderia conduzir ao desenvolvimento irreversível de amilóide mesmo após o pós-ajuste do pH de 7,4 para 5,5. Assim, a caracterização estrutural direta destas espécies de amilina dentro de misturas heterogêneas indica o impacto do pH nas suas interações intra e intermoleculares e esclarece o mecanismo por trás da agregação amilóide regulada pelo pH para a compreensão do diabetes tipo 2.

“Apresentamos uma estratégia fácil de usar que reduz o volume de detecção, melhora o sinal molecular e aumenta a eficiência da rotatividade”, explicou o Prof. "Nossa plataforma de molécula única pode adquirir uma grande quantidade de espectros SERS como instantâneos moleculares, comparáveis ​​àqueles obtidos através de simulações MD. Ao analisar estatisticamente os detalhes estruturais no nível da molécula única, somos capazes de reconstruir as propriedades em massa e obter resultados únicos insights sobre a população e a probabilidade de tipos específicos de moléculas dentro da mistura heterogênea. Tem o potencial de descobrir mistérios ocultos em sistemas complexos.

O estudo foi publicado recentemente na Nature Communications .

Mais informações: Wenhao Fu et al, Caracterização SERS de molécula única controlada por pinça plasmônica óptica eficiente de espécies de amilina dependentes de pH em meios aquosos, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42812-3
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong