Inspiriert von dem Mechanismus hinter lichtempfindlichen Sonnenbrillen erfand ein Team unter der Leitung eines Forschers der North Carolina State University eine Familie fluoreszierender Farbstoffe, um biologische Prozesse in sehr kleinem Maßstab zu beleuchten – vergleichbar mit der Größe menschlicher Haare.
Den Mechanismus hinter den Farbstoffen beschrieben die Forscher in einer Veröffentlichung in Angewandte optische Materialien von ACSgeleitet von Yang Zhang, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State.
The Abstract sprach mit Zhang darüber, wie die Farbstoffe wirken.
Zusammenfassung: Wie wirken diese Farbstoffe?
Yang Zhang: Wir haben eine Familie von Farbstoffen entwickelt, die „photoaktivierbare Fluorophore“ genannt werden. Diese fluoreszierenden Farbstoffmoleküle ändern ihre Farbe, wenn sie von blauem Licht getroffen werden. Die Farbstoffe ändern ihre Farbe, weil ein Teil der Farbstoffstruktur lichtempfindlich ist und Lichteinstrahlung ihre Molekularstruktur verändert. Die Farbstoffkonformationen emittieren anfänglich Licht in einem grüneren Spektrum und emittieren nach der Bestrahlung rotes Licht.
TA: Wie fluoreszieren die Farbstoffe?
Zhang: Es ist, als würden Menschen beim Essen Energie aufnehmen, um arbeiten zu können, und dann ins Bett gehen, um uns zu entspannen. Nachdem das Molekül die Energie absorbiert hat, möchte es sich wieder in seinen Grundzustand entspannen, also entspannt es sich und wirft die Photonen aus. Die mikroskopische biologische Welt ist dunkel, und diese Farbstoffe helfen, die biologischen Prozesse mit einem Mikroskop zu beleuchten.
TA: Wie setzen Sie sie ein, um mikroskopische Prozesse zu beleuchten?
Zhang: Wir haben diese Farbstoffe für die Mikroskopie in der biomedizinischen Grundlagenforschung entwickelt, obwohl sie noch nicht beim Menschen eingesetzt wurden. Wir verwendeten die Farbstoffe, um winzige Transportmoleküle oder Nanoträger zu beleuchten, die in sich entwickelnden Nematoden oder in sich entwickelnden Fliegen diffundieren. Diese sind in der Regel mit anderen Ansätzen schwer vorstellbar.
Derzeit erforschen wir unsere Farbstoffe für die Bildgebung von Einzelmolekülen und bauen dabei auf Arbeiten auf, für die drei Wissenschaftler 2014 den Nobelpreis für Chemie gewonnen haben. Diese Technik hilft biomedizinischen Forschern, komplizierte Lebensprozesse bis in den Nanobereich, also auf molekularer Ebene, zu untersuchen .
TA: Gibt es solche Farbstoffe bereits, und wenn ja, wie unterscheiden sich die, an denen Sie gearbeitet haben?
Zhang: Die Farbstoffe, an denen wir gearbeitet haben, sind heller und wir denken, dass sie sicherer sind. Das liegt daran, dass sie Licht im nahen Infrarotbereich aussenden. Sie möchten vermeiden, dass die Strahlung in Gewebe oder Zellen absorbiert wird. Außerdem regen wir die Zellen an, indem wir sie mit Licht einer längeren Wellenlänge, also auf einem niedrigeren Energieniveau, treffen. Dadurch wird vermieden, dass die Zellen aufgeheizt und möglicherweise getötet werden. Unsere nächsten Schritte bestehen darin, die Phototoxizitätswerte genauer zu untersuchen, um zu sehen, wie diese Farbstoffe in größerem Umfang für die Einzelmolekül-Bildgebung verwendet werden können.
Mehr Informationen:
Yang Zhang et al, Photoaktivierbare Fluorophore für Bioimaging-Anwendungen, Angewandte optische Materialien von ACS (2023). DOI: 10.1021/acsaom.3c00025