Нанофотонные пинцеты на чипе для изучения белок-ДНК взаимодействий

Исследователи из Корнеллского университета разработали нанофотонные пинцеты, которые помещаются на чипе размером менее одного квадратного дюйма. Это делает манипуляции с отдельными молекулами с помощью света более простыми и эффективными для изучения биологических систем.

В новой статье лаборатория Мишель Ван (James Gilbert White Distinguished Professor in the Physical Sciences) демонстрирует, что их наноустройство — нанофотонная ловушка на стоячих волнах (nanophotonic standing-wave array trap, nSWAT) — способно прикладывать достаточное усилие для проведения стандартных экспериментов с одной молекулой:

  • Растяжение молекул ДНК
  • Расплетение (разъединение цепей) молекул ДНК
  • Нарушение и картирование взаимодействий белок-ДНК

Это первая демонстрация нанофотонной платформы (вместо громоздких настольных установок) для манипуляций с одной молекулой с высоким усилием. Успешная демонстрация открывает путь к коммерческой доступности технологии для медицинских исследований.

Статья "Resonator Nanophotonic Standing-Wave Array Trap for Single-Molecule Manipulation and Measurement" опубликована 10 января в Nature Communications. Ведущий автор — постдок Fan Ye.

Ранее для оптического захвата (optical trapping) требовалось дорогое специализированное настольное оборудование, и процесс был неэффективным, так как учёные могли исследовать только одну молекулу ДНК за раз. "Нанофотонные пинцеты содержат все оптические компоненты настольной установки, уменьшенные до наноразмеров, но с теми же функциями", — пояснила Мишель Ван (Howard Hughes Medical Institute Investigator). Прототип nSWAT был представлен её лабораторией в 2014 году.

Ключевая функция, сохранённая в новом поколении nSWAT, — это усилие, необходимое для захвата и перемещения отдельных молекул. Исследователи доказали, что nSWAT может прикладывать усилие, необходимое для проведения прецизионных экспериментов, которые биофизики routinely выполняют при изучении ДНК-связывающих белков.

Как это работает?

  • Манипуляции осуществляются с помощью крошечных пластиковых шариков (бусинок) диаметром около половины микрона, которые служат "ручками" для удержания молекул ДНК.
  • Свет проходит через волноводы, "просачиваясь" в ключевых точках, чтобы захватить бусинки. "Вы можете захватить бусинку в каждом из этих узлов вдоль линии, захватив одновременно десятки, а может быть, и 100 бусинок", — объяснил James Inman.
  • Две параллельные линии захваченных бусинок натягивают между собой длинную и тонкую молекулу ДНК, подготавливая её для экспериментов: растяжения, расплетения и картирования взаимодействий.

Практическое применение

Для работы с чипом nSWAT лаборатории потребуется лазер (источник света), электричество, контакты для подключения и микроскоп. Также необходима вода: "лаборатория на чипе" работает в водном растворе, и для этого достаточно всего одной капли.

Работа была выполнена в Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF). Технология готова для коммерческого производителя, чтобы разработать серийный чип с нанофотонными пинцетами стоимостью всего в несколько тысяч долларов.

"Надежда в том, что этот тип фундаментальных исследований можно будет использовать для нацеливания на белки и механизмы для терапии", — сказал James Inman.