Laserowanie w materiałach biologicznych jako narzędzie do badań strukturalnych

Zespół naukowców z Laboratorium Procesów Ultraszybkich Wydziału Fizyki UW wspierany przez badacza z Chalmers University of Technology (Szwecja) pokazał, w jaki sposób można wykryć zmiany struktury DNA, wykorzystując wyłącznie metody optyczne oparte na emisji światła. Osiągnięto to poprzez detekcję zmian w czasie natężenia światła emitowanego przez związany z badanym materiałem barwnik po wzbudzeniu go krótkim impulsem światła oraz wykorzystanie zjawiska wzmocnienia emisji spontanicznej w ośrodku wzbudzonym silnym impulsem laserowym. Praca opisująca te doświadczenia trafiła na okładkę jednego z czołowych pism z zakresu chemii fizycznej, The Journal of Physical Chemistry Letters.

W Laboratorium Procesów Ultraszybkich (LPU) prowadzone są prace nad rozwojem metod wykorzystujących światło widzialne do badania materiałów biologicznych na poziomie molekularnym. Rozwijane metody opierają się na dwóch zjawiskach: po pierwsze, szybkość, z jaką wzbudzone wskutek absorpcji światła cząsteczki barwników organicznych oddają uzyskaną energię może zależeć nie tylko od cech samych cząsteczek, ale i od ich otoczenia. Taką właściwość mają wykorzystane w badaniach opublikowanych w The Journal of Physical Chemistry Letters cząsteczki Tioflawiny T, które ponadto chętnie wiążą się z cząsteczkami DNA. W opublikowanej pracy zademonstrowano, że badając szybkość relaksacji cząsteczek Tioflawiny T po wzbudzeniu ich krótkimi impulsami światła laserowego można uzyskać informacje o strukturze DNA, z którym są one związane.

Drugim efektem wykorzystywanym w pracach prowadzonych w LPU jest wzmocnienie światła w wyniku zjawiska emisji wymuszonej. Jest to proces, na którym opiera się działanie lasera i polega na tym, że foton oddziałując z optycznie wzbudzoną cząsteczką może wymusić emisję drugiego, identycznego fotonu. Dzięki temu w silnie wzbudzonym ośrodku (w którym jest więcej cząsteczek w stanie wzbudzonym niż podstawowym) może zachodzić lawinowe wzmocnienie światła. Kiedy światło wzmacniane pochodzi ze spontanicznej emisji fotonów przez cząsteczki znajdujące się w tym samym ośrodku, dochodzi do generacji tzw. wzmocnionej emisji spontanicznej (ang. amplified spontaneous emission, ASE). Jeśli ośrodek jest niejednorodny, czyli rozprasza światło (tak jak materiały biologiczne), to własności ASE (natężenie, widmo) zależą od ścieżek przebywanych przez fotony w ośrodku, a te są z kolei związane ze strukturą materiału. Gdy szybkość relaksacji cząsteczek wzmacniających światło również jest związana ze strukturą materiału (jak ma to miejsce w przypadku Tioflawiny T), to wskutek połączenia wszystkich efektów własności ASE mogą wykazywać bardzo silną zależność od tej struktury.

Prowadzone w LPU prace nad zastosowaniami wzmocnionej emisji spontanicznej w materiałach biologicznych dotyczą nie tylko badań struktury DNA ale również mechanizmów agregacji białek, które prowadzą do powstawania toksycznych agregatów, tzw. amyloidów, odpowiedzialnych za szereg chorób, w tym chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroby Alzheimera i Parkinsona.

Więcej informacji można uzyskać kontaktując się z Piotrem Hańczycem lub Piotrem Fitą z Laboratorium Procesów Ultraszybkich. W najbliższe wakacje będzie można odbyć w Laboratorium płatny (stypendium) staż studencki związany z prowadzeniem badań w ramach przedstawionej tematyki. Zainteresowani studenci powinni skontaktować się z Piotrem Hańczycem.

POWIĄZANE PUBLIKACJE:

1. P. Hanczyc, P. Rajchel-Mieldzioć, B. Feng, P. Fita, Identification of Thioflavin T Binding Modes to DNA: A Structure-Specific Molecular Probe for Lasing Applications, J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 5436–5442
2. P. Hanczyc, M. Procyk, C. Radzewicz, P. Fita, Two-photon excited lasing of Coumarin 307 for lysozyme amyloid fibrils detection. J. Biophotonics 2019, 12, e201900052