Ein interdisziplinäres Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Jun Nishida und Associate Prof. Takashi Kumagai am Institut für Molekularwissenschaft hat erfolgreich Schwingungsspektren einzelner Proteine beobachtet, die aus etwa 500 Aminosäureresten bestehen, und zwar mithilfe fortschrittlicher Messtechniken, die auf nahezu optische Feldmikroskopie. Diese Methode nutzt im Nanometerbereich begrenztes Licht und ermöglicht die detaillierte Analyse extrem kleiner Proben, was bisher mit der herkömmlichen Infrarotspektroskopie eine Herausforderung darstellte.
Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Nano-Buchstaben.
Konventionelle Infrarotspektroskopie wird häufig für die strukturelle und chemische Analyse verschiedener Materialien eingesetzt, da sie Schwingungsspektren messen kann, die oft als „molekulare Fingerabdrücke“ bezeichnet werden.
Die neue Errungenschaft stellt einen großen Fortschritt in Richtung technologischer Innovationen wie ultraempfindlicher und hochauflösender Infrarotbildgebung sowie Einzelmolekülschwingungsspektroskopie dar.
Die rasante Entwicklung der Nanotechnologie in den letzten Jahren hat zu einer steigenden Nachfrage nach ultrahochempfindlicher und hochauflösender Infrarotbildgebung geführt. Die konventionelle Infrarotspektroskopie ist jedoch nur begrenzt in der Lage, extrem kleine Proben zu messen oder eine räumliche Auflösung im Nanometerbereich zu erreichen. Selbst die Infrarot-Mikrospektroskopie mit guter Empfindlichkeit erfordert beispielsweise über eine Million Proteine, um ein Infrarotspektrum zu erhalten, sodass es unmöglich ist, nur ein einziges Protein zu messen.
In ihrer Studie isolierte das Forschungsteam ein einzelnes Protein, eine Untereinheit, die einen Proteinkomplex namens F1-ATPase umfasst, auf einem Goldsubstrat und führte Nahfeld-Infrarotspektroskopiemessungen in einer Umgebungsumgebung durch.
Es gelang ihnen, das Infrarot-Schwingungsspektrum eines einzelnen Proteins zu erfassen, was einen großen Fortschritt darstellt, der zur Charakterisierung lokaler Strukturorganisationen einzelner Proteine führen könnte. Solche Informationen sind besonders wichtig für das Verständnis der komplexen Funktionen von Proteinkomplexen und Membranproteinen und bieten tiefere Einblicke in deren Mechanismen und Wechselwirkungen.
Darüber hinaus haben sie einen neuen theoretischen Rahmen entwickelt, der die nanoskaligen Wechselwirkungen zwischen dem Infrarot-Nahfeld und Protein beschreibt.
Basierend auf der Theorie war das Team in der Lage, die beobachteten experimentellen Schwingungsspektren quantitativ zu reproduzieren. Diese Ergebnisse werden für die chemische Analyse von Biomolekülen sowie verschiedenen Nanomaterialien von unschätzbarem Wert sein und den Weg für eine Reihe von Anwendungen der nanoskaligen Infrarotspektroskopie ebnen.
Mehr Informationen:
Jun Nishida et al, Sub-Tip-Radius Near-Field Interactions in Nano-FTIR Vibrational Spectroscopy on Single Proteins, Nano-Buchstaben (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03479