Ученые наблюдали движение одиночной молекулы

XgNVbVMhGGs1

За молекулярными процессами можно будет следить в реальном времени.

На фото: молекула липида в «горячей точке» между золотой наночастицей и поверхностью зеркала. Изображение: Felix Benz

Ученым из Кембриджского университета впервые удалось увидеть в реальном времени движение и изменение конформаций отдельной небольшой молекулы. Описание метода, который был для этого создан, приводится в статье в журнале Scientific Reports.

Авторы работы исследовали движение мембранных липидов — веществ со строением «голова-хвост», которое позволяет им образовывать протяженные двойные слои. Из таких слоев состоят клеточные мембраны всех живых организмов. Для того чтобы наблюдать за отдельными липидами в мембране, ученые использовали комбинацию поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS) и технологии «наночастица-на-зеркале» (Nano-Particle on Mirror, NPoM).

Система для наблюдения за индивидуальными липидами была устроена следующим образом. Ученые создали на золотой поверхности искусственный липидный слой, похожий по составу на клеточную мембрану эукариот. Над этим слоем поместили наночастицу золота диаметром 80 нанометров. Таким способом получилось выделить цилиндрический объем между поверхностью и частицей, в который помещалось не больше одной молекулы липида.

Облучая такую конструкцию светом с определенной длиной волны, в выделенном объеме можно было создать область, в которой электрическое поле усиливается до десяти порядков величины. Усиление возникало за счет появления поверхностного плазмона — колебания электронных оболочек поверхностных атомов золота. Регулируя величину зазора между частицей и зеркалом, а также длину волны возбуждающего излучения, можно было добиться возникновения плазмонного резонанса.

ExbDLJEOtao1

Схема положения липидов между поверхностью и наночастицей (слева) и микрофотография золотых наночастиц на повехности (справа). Каждая цветная точка — золотой наношарик. Изображение: Richard W. Taylor et al,. Scientific Reports, 2014

Вещество, попавшее в зону усиления, рассеивало свет, причем из-за взаимодействия фотонов падающего излучения с химическими связями индивидуальной молекулы длина волны рассеянного света немного изменялась по сравнению с исходной. Эта разница называется рамановским сдвигом и является своего рода паспортом вещества, по которому его можно достоверно идентифицировать. Использование плазмонного резонанса в системе, которую создали авторы, позволило уменьшить порог определяемых концентраций вещества до того предела, когда детектируется сигнал даже от одной-единственной молекулы. Из-за постоянного движения в каждый момент времени в зону усиления попадала лишь часть липида. Последовательно детектируя, какие части оказываются видимы, можно восстановить, как двигалась молекула и какие конформации принимала.

Создание методов наблюдения индивидуальных молекул является чрезвычайно важной задачей, так как это потенциально позволяет ответить на многие вопросы о механизме молекулярных взаимодействий в химическом синтезе, катализе, биологических процессах и многих других областях. До сих пор наблюдение за индивидуальными молекулами ограничивалось только очень крупными биополимерами вроде белков. Кроме того, ранее при помощи того же метода SERS удавалось только детектировать индивидуальные молекулы, но не отслеживать их движения. О механизмах межмолекулярного взаимодействия ученым приходилось судить либо по косвенным признакам, либо при помощи компьютерных моделей. Теперь же стало возможным наблюдение за «живой» молекулой в реальном времени.