محققان دانشگاه آکسفورد به پیشرفت های قابل توجهی در تصویربرداری از پروتئین ها در سطح تک مولکولی با استفاده از هولوگرافی دست یافته اند. فرآیند ابتکاری آنها، که هولوگرام های مبتنی بر نور از پروتئین ها را تولید می کند، حساسیت پیشرفته را تا پنج مرتبه بهبود می بخشد و امکان اندازه گیری قطبیت مولکول های زیستی را فراهم می کند. تکنیک تصویربرداری راه‌های جدیدی را برای مطالعه برهم‌کنش‌های بیومولکولی و اینکه چگونه می‌توان آنها را در علم نانو به کار برد، باز می‌کند.
مقاله پژوهشی «هولوگرافی نوری تک پروتئینی،” منتشر شد در فوتونیک طبیعت.
حساسیت تک مولکولی با هولوگرافی نوری
حتی اگر هدف اصلی میکروسکوپ ارائه ارزیابی های کیفی از خواص سلولی و درون سلولی است، همچنین می تواند طیف وسیعی از اندازه گیری های کمی را در صورت استفاده با ابزارهای دیگر مانند رایانه ها، لیزرها، دستگاه های فوتوالکتریک و انتخابگرهای طول موج انجام دهد. این اندازه‌گیری‌های کمی ایجاد روابط بین ساختارها و خواص مواد بیولوژیکی در تمام پیچیدگی‌های زمانی و مکانی آن را چالش برانگیز می‌سازد. هنگامی که این ابزارها با هم استفاده می شوند، به طور قابل توجهی توانایی مطالعه سلول ها و ساختارهای درون سلولی در مقیاس ماکرومولکولی را برای خواص فیزیکی و شیمیایی آنها بدون ایجاد هیچ گونه آسیبی بهبود می بخشند.
اگرچه پراکندگی نور در همه مواد به درجات مختلف رخ می‌دهد، روش‌های هولوگرافیک نوری – که تصاویر کمّی سه‌بعدی را با جمع‌آوری مجدد امواج نوری که از اجسام پراکنده شده‌اند ایجاد می‌کنند – هرگز پراکندگی دقیق مولکول‌ها را شناسایی نکرده‌اند. روش‌های هولوگرافی نسبت به اندازه‌گیری‌های شدت سنتی در رابطه با محتوای داده‌ها، قابلیت تنظیم و پس‌پردازش مزایای بی‌شماری دارند. با این حال، تحقیقات تک مولکولی بدون برچسب به دلیل دشواری گرفتن سیگنال‌های ضعیف از مولکول‌های منفرد با استفاده از روش‌های قبلی، پیشرفت کندی داشته است.
یان کریستوف تیل، امانوئل پیتزنر و فیلیپ کوکورا بر این موانع غلبه کردند و نشان دادند که هولوگرافی مبتنی بر نور می تواند پراکندگی نور بسیار ضعیف از پروتئین های منفرد را تشخیص دهد. محققان حساسیت این تکنیک را در مقایسه با پیشرفته ترین روش از نظر قدرت تعامل، پنج مرتبه افزایش داده اند. این روش با تقسیم نور بیرون آمده از نمونه و جفت شدن آن با یک مرجع قبل از تقسیم تشخیص به چهار کانال موازی کار می کند. این امکان تشخیص و اندازه گیری دقیق پروتئین های فردی را فراهم می کند. محققان با موفقیت تک پروتئین هایی با جرم کمتر از 100 کیلو دالتون را شناسایی، تجزیه و اندازه گیری کردند. این روش هم دامنه و هم فاز را به طور جداگانه اندازه گیری می کند، بنابراین می تواند اطلاعات زیادی در مورد هویت نمونه بدهد و مشخص کند که آیا مولکول های زیستی خاصی قطبی پذیر هستند یا خیر.
پیشرفت این تیم، اندازه گیری قطبش پذیری مولکولی و هویت نمونه (به عنوان مثال، اندازه ذرات، خواص مواد، یا الیگومریزاسیون پروتئین) را آسان تر می کند و راه های جدیدی را برای مطالعه برهمکنش های زیست مولکولی و یافتن کاربردهایی برای علوم نانو به طور کلی باز می کند.