Cientistas da Universidade de Tecnologia de Delft desenvolveram nanoantenas plasmônicas capazes de amplificar a fluorescência de proteínas diretamente em células de mamíferos vivas. Isso é importante para monitorar a atividade de organismos vivos em tempo real, permitindo-nos estudar a própria vida e seus processos em toda a sua diversidade.
Fonte da imagem: Universidade de Tecnologia de Delft
Proteínas geneticamente modificadas que podem fluorescer espontaneamente em células vivas e em resposta à atividade química e elétrica já foram criadas há algum tempo. Essas proteínas, por exemplo, são sintetizadas em células cerebrais de camundongos. Nesse caso, a fluorescência das proteínas pode ser usada para monitorar a resposta dos camundongos a estímulos sem a necessidade de implantes ou sondas, o que é menos traumático para os animais e fornece mais informações sobre seu comportamento. No entanto, os pesquisadores frequentemente não possuem a intensidade dessa fluorescência e a sensibilidade das proteínas aos impulsos elétricos do sistema nervoso necessárias para visualizar esses processos de forma mais clara e completa.
Em um novo estudo, cientistas demonstraram que é possível criar nanoantenas exclusivas que, quando colocadas próximas a proteínas, aumentam sua intensidade de fluorescência em até seis vezes, enquanto as células permanecem vivas e continuam a funcionar normalmente. Anteriormente, nanoantenas semelhantes foram usadas para aumentar a fluorescência em ambientes inanimados, mas a ideia provou ser eficaz também para materiais orgânicos.
Os pesquisadores utilizaram nanoestrelas de ouro — nanopartículas plasmônicas com geometria complexa capazes de concentrar o campo eletromagnético em uma região de escala nanométrica ao redor da superfície — como nanoantenas. Quando iluminadas por um laser, as partículas são excitadas por plasmons de superfície localizados, criando um forte campo óptico próximo. Se uma proteína fluorescente estiver suficientemente próxima de tal estrutura, sua interação com a luz se altera, aumentando a eficiência de excitação e a taxa de emissão de fótons.
O principal desafio de engenharia foi selecionarA forma e o tamanho das partículas, garantindo sua estabilidade química e o posicionamento correto em relação às proteínas da membrana, foram determinados. Foi precisamente o acoplamento controlado em nanoescala da antena com o fluoróforo que possibilitou transferir o conhecido efeito de intensificação da fluorescência de moléculas individuais para uma célula viva sem danificá-la.
No entanto, o resultado mais inesperado não foi apenas o aumento do brilho. A proteína QuasAr6a passou a responder aproximadamente dez vezes mais rápido às mudanças na voltagem da membrana. Os pesquisadores atribuem isso ao fato de que a estrutura plasmônica afeta não apenas a intensidade da fluorescência, mas também o ciclo fotoquímico da própria proteína. Os pesquisadores acreditam que o campo óptico próximo intensificado altera as taxas de transição entre os estados da proteína, aumentando simultaneamente a taxa de emissão de fótons e acelerando sua dinâmica.
Esta última é crucial para o registro de sinais rápidos em sinapses, para os quais a proteína geneticamente modificada não possuía a resolução temporal necessária. Todos os estudos anteriores sobre a modificação genética da proteína fluorescente falharam em aumentar seu brilho e resolução, algo que as nanoantenas conseguiram facilmente. Os engenheiros venceram os geneticistas. Mas os benefícios são enormes: um complexo proteína-nanoantena altamente sensível permitirá um monitoramento mais detalhado da atividade cerebral em mamíferos (camundongos) e até mesmo em órgãos localizados profundamente no tecido de roedores, algo que antes era difícil de alcançar, mas agora é viável com as novas nanoantenas.