Delft Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, ilk olarak nano-antenlerin, yaşayan insan ve diğer memeli hücrelerindeki proteinlerin floresansını nasıl artırabileceğini gösterdiler. Bilim insanları zaten, bir sinir hücresindeki elektrik voltajının değiştiğinde parlayan akıllı floresan proteinleri kullanıyorlar. Bu ışık yayan proteinlere nano-antenler yerleştirerek, araştırmacılar hücrelerin içindeki süreçleri çok daha hassas bir şekilde izleyebiliyorlar. Bu keşif, nanoteknoloji ve genetik mühendisliği ile beyin elektriksel sinyallerini ortaya çıkarma konusunda yeni bir araç sağlıyor. Araştırma, “Advanced Materials” dergisinde yayınlandı.
Beyindeki sinyalleri izlemek hem yüksek çözünürlük hem de hızlı görüntüleme gerektirir. Baş araştırmacı Daan Brinks’e göre, “Hücrelerde voltaj değişikliklerini görselleştirmek için kullanılan mevcut yöntemler genellikle yeterli ışık üretmiyor veya küçük elektriksel darbelerdeki değişimlere yeterince hızlı veya güçlü yanıt vermiyor.”
İlk yazarlar Marco Locarno ve Qiangrui Dong, floresan proteinlerine nano-antenleri son derece yakın bir şekilde yerleştirerek önemli bir başarıya imza attılar. Bu sayede proteinler altı kat daha parlak hale geldi ve araştırmacılar hücrelerin içindeki süreçleri çok daha hassas bir şekilde izleyebildiler. Önemlisi, hücreler hala canlı kaldı ve ölçümler boyunca normal fonksiyonlarını sürdürdüler.
Brinks, “Metalik nanopartiküllerin, yani plazmonik nano-antenlerin, ışığı son derece yerel olarak artırabileceği uzun zamandır nanophotonikte bilinmektedir,” diyor. “Bu nedenle basit bir soru sorduk: Bu tür bir nano-anteni floresan proteinine çok yakın yerleştirirsek ne olur?”
Floresansı artırmak için gereken hassas konumlandırmanın, daha karmaşık canlı sistemlerde daha önce başarılmamıştı. Brinks, “Antenlerin ışığı artırmak için doğru şekle ve boyuta sahip olması gerekiyor ve aynı zamanda hücreyi bozmamalı,” diye açıklıyor. “Kimyasal olarak kararlı olmalı ve yaşayan bir hücredeki tam olarak doğru yere, elektriksel sinyalleri algılayan proteinin yakınına yerleşmeli. Bunu başarmak, simülasyonlar, kimya ve biyolojik deneylerin hassas bir kombinasyonunu gerektirir.”
Geniş tasarım çalışmaları ve deneyler sonucunda, Brinks Laboratuvarındaki araştırmacılar, ilk olarak yaşayan, çalışan memeli hücrelerinde daha parlak protein floresansını gösterdiler. Brinks’e göre, “Bilim insanları daha önce bunu sadece tek molekül ölçümlerinde başarmışlardı, ancak hücrenin içindeki süreçlere yanıt veren proteinlerle değil.” Şimdi çok sayıda protein molekülünü içeren biyolojik ölçümler yapabiliyoruz.
Voltaj duyarlı proteinler sadece daha parlak hale gelmekle kalmadı, aynı zamanda elektriksel voltajdaki değişikliklere yaklaşık 10 kat daha hızlı tepki verdi. Bu beklenmedik bir durumdu. Yıllardır araştırmacılar bu proteinleri genetik mühendislik yoluyla optimize etmeye çalışıyorlardı ve sadece sınırlı iyileştirmeler elde edebilmişlerdi. Proteinlerin yakınındaki bir nanopartikülün, tamamen yeni bir hızlanma seviyesine olanak sağladığı ortaya çıktı.
Bu keşif, yeni bir araç sunuyor: Floresan proteinleri artık sadece genetik mühendislik yoluyla değil, aynı zamanda akıllı nanostrüktürler aracılığıyla da değiştirilebilir. Bu, protein fonksiyonunu manipüle etmenin yeni bir yolunu sağlıyor. Brinks, “Bu çalışmada kullandığımız proteini örnek olarak alırsak, yaklaşımımız beyindeki sinyal kaydını hızlandırmamıza olanak tanıyor,” diyor.
“Ancak aynı prensip potansiyel olarak gözdeki sinyalleşmede, örneğin kusurlar halinde veya hücreler içinde maddeleri taşımak üzere programlanmış proteinlerde de uygulanabilir.”
Nanoteknoloji alanındaki merakla başlayan bir fikir, beyin araştırmaları için de değerli olduğunu kanıtlıyor. Daha hızlı ve yerel olarak artırılmış sinyaller, nöronların bilgi alışverişi yaptığı bölgeler olan sinapslardaki elektriksel aktiviteyi ölçmeyi mümkün kılıyor. Uzun vadede bu teknoloji, beynin temel sorularını yanıtlamaya yardımcı olabilir: Beyin bilgiyi nasıl işler? Öğrenme ve hafıza oluşumu sırasında mikroskobik düzeyde neler olur? Ve bu süreçler nörolojik bozukluklarda nasıl bozulur?
Bu araştırma için Brinks Laboratuvarı, TU Delft Reactor Enstitüsü ile Liedewij Laan Laboratuvarı ve Erasmus MC’deki Chien Laboratuvarıyla işbirliği yaptı.
