Rastreando a dinâmica de biomoléculas com antenas optofluídicas

A fim de compreender melhor os processos fundamentais nas ciências da vida a nível molecular, a observação precisa da dinâmica de uma única molécula é de extremo interesse. No entanto, as técnicas atuais baseadas em medições de fluorescência em soluções aquosas são incapazes de rastrear alterações na estrutura molecular com resolução temporal suficiente.

Físicos do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz (MPL) conseguiram agora desenvolver uma estrutura fotônica conhecida pela óptica quântica – a antena óptica planar – para uso em meios aquosos para monitorar processos dinâmicos. Isso permite que mudanças conformacionais de biomoléculas individuais sejam observadas com a maior resolução temporal.

Para atingir essa resolução, a chamada “antena optofluídica” coleta os fótons emitidos pelas moléculas fluorescentes individuais com aproximadamente 85% de eficiência. Com uma eficiência tão alta, os pesquisadores conseguem alcançar uma resolução de tempo na faixa de microssegundos. O dispositivo pode ser facilmente integrado em muitas configurações de microscopia existentes e está adicionando outra ferramenta que fornece alta resolução temporal no laboratório.

Estudar a complicada dinâmica interna de biomoléculas em um ambiente líquido com resolução de molécula única é de grande interesse para as ciências da vida.

As medições de fluorescência são atualmente a técnica fundamental para decifrar processos dinâmicos rápidos e lentos. Aqui, seções especiais das biomoléculas são marcadas com moléculas de corante fluorescente. Quando excitados com luz laser, mudanças em suas posições relativas umas às outras são detectadas pela medição dos fótons emitidos. No entanto, a metodologia de recolha limita o número de fotões de fluorescência que podem ser registados por intervalo de tempo, restringindo assim a resolução temporal.

Na obra, publicada em Comunicações da Naturezaa equipe liderada pelo professor Stephan Götzinger e pelo professor Vahid Sandoghdar mostra um método de medição completamente novo e altamente eficiente, baseado em estruturas conhecidas da óptica quântica de estado sólido.

Os físicos desenvolveram o conceito de antena óptica plana há aproximadamente 10 anos e, em contraste com as antenas ópticas convencionais, uma antena plana pode ser realizada sem nanoestruturas metálicas. Através de uma modificação inteligente, as novas antenas optofluídicas são capazes de coletar fótons emitidos por uma única biomolécula em solução com eficiência extremamente alta (85%).

A antena consiste em um substrato de vidro e uma camada de água com várias centenas de nanômetros de espessura contendo as biomoléculas a serem examinadas. A fina camada de água é criada por uma micropipeta posicionada apenas algumas centenas de nanômetros acima do substrato. Ao aplicar uma pressão definida, o formato do menisco de água na pipeta é controlado.

O limite axial da camada de água força as moléculas a se difundirem através do centro do foco do laser e, assim, aumenta o chamado brilho. A antena aumenta o sinal de fluorescência das moléculas aproximadamente cinco vezes. Ao mesmo tempo, a interface água-ar retarda a difusão das moléculas, enquanto a geometria da antena aumenta a probabilidade de uma molécula retornar ao foco.

Os cientistas do MPL demonstram o desempenho da antena optofluídica juntamente com o grupo do professor Claus Seidel, da Universidade de Düsseldorf, examinando a mudança na conformidade de um DNA especificamente organizado – a junção de quatro vias do DNA.

Duas das pernas da junção são marcadas com um par de transferência de energia de ressonância de Förster (FRET), onde o número de fótons emitidos por cada um dos dois parceiros FRET muda com a distância entre as duas pernas. Usando trajetórias FRET, os pesquisadores conseguiram provar que um estado conformacional suspeito não ocorre e fornecer um limite superior para sua vida útil. A nova antena pode rastrear a dinâmica do cruzamento de quatro vias do DNA com uma resolução temporal de apenas alguns microssegundos.

“Nossa antena optofluídica funciona tão bem devido à eficiência aprimorada de coleta de fótons de moléculas de difusão mais lenta no canal espacialmente limitado”, diz o professor Stephan Götzinger.

“A antena é um dispositivo poderoso para investigações nas ciências da vida. Não só é fácil de usar, mas também pode ser facilmente integrada em muitas configurações de microscopia existentes”, acrescenta o professor Vahid Sandoghdar.