Наночастицы помогают разглядеть белки при экстремально высоких температурах

Российские ученые создали многофункциональное наноустройство из диэлектрических наночастиц на металлической подложке. С его помощью можно определять температуру и состояние окружающих молекул. Кроме того, эксперименты показали, что термоустойчивость белков можно повысить, меняя химический состав наночастиц. Полученные наноструктуры также обладают высокой биосовместимостью, что делает их перспективными для биомедицины. Результаты опубликованы в Journal of Biophotonics.

Исследование взаимодействия полупроводниковых наночастиц со светом ‒ одно из перспективных направлений фотоники сегодня. Такие частицы обладают очень маленьким размером и интересными оптическими свойствами, поэтому сфера их применения интенсивно расширяется. Например, их можно использовать в качестве нанорезонатора, позволяющего сфокусировать световой пучок. Недавно ученые Университета ИТМО обнаружили, что такие частицы, расположенные на металлической поверхности, могут выполнять сразу несколько полезных функций.

«Мы с коллегами решили найти потенциальные применения полупроводниковых наночастиц в биологии и медицине, ‒ рассказывает научный сотрудник Университета ИТМО Валентин Миличко. – Такие наночастицы способны локализовать свет на наномасштабе, и одновременно измерять локальную температуру с точностью до десятых долей градуса в широком диапазоне до 1000 градусов по Цельсию. Эти два аспекта мы использовали в наших экспериментах с кремниевыми и германиевыми наночастицами размером 100-200 нанометров. Мы разместили наночастицы на золотой подложке и использовали данную наноструктуру, чтобы выяснить, как ведут себя белки в экстремальных условиях, а именно при нагреве интенсивным светом».

Чтобы получить информацию о температуре и состоянии белка или самой частицы, нужно воздействовать на эту структуру светом определенной длины волны и проанализировать спектр рассеянного света. «Спектры рассеяния несут информацию о количестве, характере и конформации химических связей молекулы. По спектральному сдвигу мы можем понять, сохранил ли белок рабочую конформацию при данной температуре,» ‒ добавляет Валентин.

В ходе экспериментов выяснилось, что полученное наноустройство может влиять на термоустойчивость белков. Ученые обнаружили, что наночастицы определенного химического состава могут повысить устойчивость белка к температуре до 350 градусов по Цельсию. Такой результат показали наночастицы германия. Стабилизирующее действие наночастиц, наряду с хорошей биосовместимостью, делает их перспективными для медицины. Например, германиевые наночастицы можно будет вводить в организм для локального воздействия на раковые клетки или визуализации взаимодействия молекул в клетке.

«Наше открытие подтверждает общий тренд в современной нанофотонике: в последние годы растет интерес к исследованию резонансных диэлектрических наноструктур. Помимо локализации света на наномасштабе они обладают богатым арсеналом функциональных свойств. Термочувствительный сигнал, который мы изучали ‒ один из ярких примеров таких свойств. Он позволяет измерять локальную температуру любых нанообъектов, в том числе и биологических,» ‒ отмечает Сергей Макаров, руководитель Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.