Даже самая маленькая молекула может рассказать большую историю. Например, наблюдение за одной молекулой может пролить свет на основные биологические процессы в человеческом организме. Фактически, процедуры молекулярной визуализации—которые являются неинвазивными и безболезненными—используются для диагностики и лечения COVID-19, рака, сердечных заболеваний и других серьезных заболеваний.

Одним из наиболее перспективных методов визуализации одиночных молекул является поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия, или СЭВ. Фокусируя лазерный луч на образце, SERS обнаруживает изменения в молекулах, основанные на том, как они рассеивают свет, и может идентифицировать конкретные молекулы по их уникальным спектрам комбинационного рассеяния: своего рода молекулярный отпечаток. Преимущество СЭВ заключается в том, что он неразрушающий и требует минимальной пробоподготовки, так как не требует добавления химических веществ или модификаций для проведения измерений.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Advanced Materials, инженеры из инженерной школы Джонса Хопкинса Уайтинга описывают новый наноматериал, который позволяет быстро и высокочувствительно обнаруживать отдельные молекулы с помощью СЭВ. Их изобретение могло бы проложить путь к быстрому и более точному диагностическому тестированию.

Чтобы создать свой новый материал, называемый ДНК-Силицированным шаблоном для Рамановского оптического маяка или ДНК-СТРОБА, команда во главе с Ишаном Барманом, адъюнкт-профессором машиностроения, спроектировала оптические полости размером всего в несколько нанометров или меньше. При визуализации СЭВ эти плазмонные полости "ловят" пучки света, преобразуя их электромагнитное излучение в электронные волны. Крошечные плазмонные нанополости команды Бармена экспоненциально увеличивают плотность этой захваченной электромагнитной энергии, потенциально позволяя получать количественную биомолекулярную визуализацию при сверхнизких концентрациях.

"Эффективность измерений СЭВ зависит от архитектуры и воспроизводимости наноразмерных зондов. При успешном проектировании и реализации наши ДНК-стробоскопические структуры предлагают оптическое зондирование в режиме реального времени, без одной молекулы, без меток, чего практически невозможно достичь с помощью любых существующих платформ",-сказал Бармен, соответствующий автор статьи.

Соавторами исследования являются Ле Лян и Пэн Чжэн, оба аспиранта инженерной школы Джонса Хопкинса Уайтинга.

По словам Бармена, измерения SERS могут дать беспрецедентную информацию на наноуровне, что остается сложной задачей для традиционных методов визуализации. Интенсивность сигнала СЭВ зависит от размера наноразмерных промежутков, известных как "горячие точки". Поскольку эти нанорезонаторы ограничивают световую энергию, чем меньше промежутки, тем выше сигнал СЭВ. Однако нанорезонаторы такого небольшого размера чрезвычайно трудно (и дорого) изготовить программируемым и воспроизводимым способом, объяснил он.

Исследовательская группа обратилась к нанотехнологиям ДНК, чтобы найти ответ. Используя ДНК в качестве каркаса, команда создала синтетические нанорезонаторы, которые идеально подходят для того, чтобы стать горячими точками. Но учитывая упругую природу ДНК, особенно ее склонность к сгибанию и изгибу, размер формируемых ДНК-СТРОБОСКОПИЧЕСКИХ структур может изменяться, потенциально ослабляя сигнал SERS. Таким образом, команда инкапсулировала ДНК-стробоскопические структуры защитной ультратонкой кремнеземной оболочкой, чтобы предотвратить такие колебания.

В ходе исследования были сделаны два важных вывода. Во-первых, исследователи показали, что они могут создавать сверхмалые нанорезонаторы с хорошо контролируемым и большим электромагнитным усилением сигнала SERS. Во—вторых, их подход позволяет проводить одномолекулярные исследования даже в биологических образцах с высокой концентрацией молекул-препятствие в предыдущих исследованиях.

"Мы были взволнованы, увидев, что ДНК-СТРОБ усиливает рамановский сигнал, и он был достаточно сильным, чтобы позволить зондирование в реальном времени и визуализацию со сверхразрешением. Это, безусловно, откроет новые возможности для использования анализа СЭВ, особенно в приложениях зондирования и визуализации, где добавление контрастных веществ и красителей нежелательно или непрактично", - сказал Лян.

Следующим шагом, говорят исследователи, будет разработка набора специально разработанных аналитических инструментов на основе ДНК-стробоскопов для широкого спектра применений. Например, команда считает, что их подход предлагает современную платформу для сверхчувствительного обнаружения циркулирующих биомаркеров рака.

"При соответствующей настройке ДНК-СТРОБ может обеспечить прогресс в самых разных областях, начиная от клинической диагностики и фундаментальных биомедицинских исследований до зондирования окружающей среды и манипулирования одной молекулой", - добавляет Бармен.

ИСТОЧНИК