Onderzoeksteam rapporteert het observeren van trillingsspectra van een enkel eiwit met infrarood nanospectroscopie

Een interdisciplinair onderzoeksteam, geleid door assistent prof. Jun Nishida en universitair hoofddocent Takashi Kumagai van het Institute for Molecular Science, heeft met succes trillingsspectra van afzonderlijke eiwitten waargenomen, bestaande uit ongeveer 500 aminozuurresiduen, met behulp van geavanceerde meettechnieken gebaseerd op bijna- veld optische microscopie. Deze methode maakt gebruik van licht dat op nanometerschaal is opgesloten, waardoor de gedetailleerde analyse van extreem kleine monsters mogelijk is, wat voorheen een uitdaging was met conventionele infraroodspectroscopie.

De studie is gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.

Conventionele infraroodspectroscopie wordt op grote schaal gebruikt voor de structurele en chemische analyse van verschillende materialen, omdat het trillingsspectra kan meten, vaak de “moleculaire vingerafdrukken” genoemd.

De nieuwe prestatie vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in de richting van technologische innovaties zoals ultragevoelige infraroodbeeldvorming en superresolutie-infraroodbeeldvorming, evenals vibratiespectroscopie met één molecuul.

De snelle ontwikkeling van nanotechnologie in de afgelopen jaren heeft geleid tot een toenemende vraag naar infraroodbeeldvorming met ultrahoge gevoeligheid en superresolutie. Conventionele infraroodspectroscopie is echter beperkt in het meten van extreem kleine monsters of het bereiken van ruimtelijke resolutie op nanometerschaal. Zelfs infraroodmicrospectroscopie met een goede gevoeligheid vereist bijvoorbeeld meer dan een miljoen eiwitten om een ​​infraroodspectrum te verkrijgen, waardoor het onmogelijk wordt om slechts één enkel eiwit te meten.

In hun onderzoek isoleerde het onderzoeksteam één enkel eiwit, een subeenheid bestaande uit een eiwitcomplex genaamd F₁-ATPase, op een goudsubstraat en voerde nabij-veld-infraroodspectroscopiemetingen uit in een omgevingsomgeving.

Ze hebben met succes het infraroodtrillingsspectrum van een enkel eiwit verworven, wat een grote vooruitgang betekent die kan leiden tot het karakteriseren van lokale structurele organisaties van individuele eiwitten. Dergelijke informatie is vooral belangrijk voor het begrijpen van de geavanceerde functies van eiwitcomplexen en membraaneiwitten, en biedt diepere inzichten in hun mechanismen en interacties.

Bovendien hebben ze een nieuw theoretisch raamwerk ontwikkeld dat de interacties op nanoschaal tussen het infrarood nabijveld en eiwit beschrijft.

Op basis van de theorie kon het team de experimentele trillingsspectra die ze observeerden kwantitatief reproduceren. Deze resultaten zullen van onschatbare waarde zijn voor de chemische analyse van biomoleculen en verschillende nanomaterialen, en zullen de weg vrijmaken voor een reeks toepassingen van infraroodspectroscopie op nanoschaal.