Interacción luz-moléculas a medida a escala nanométrica
La transferencia de energía por resonancia de fluorescencia de Förster (FRET) es uno de los métodos más utilizados para medir la distancia, la estructura y la asociación entre moléculas a escala nanométrica. Sin embargo, dista de ser perfecta. Su aplicación está decididamente limitada en varios campos de las ciencias físicas y analíticas, especialmente para medir el rango de distancias cortas por debajo de ocho nanómetros. Con el fin de ampliar el uso de la FRET, el proyecto EXTENDFRET, financiado por la Unión Europea, desarrolló una forma innovadora de utilizar la nanofotónica para ajustar la interacción luz-molécula de la forma deseada en la escala nanométrica. «Aunque la nanofotónica ha permitido lograr varios éxitos en el control de las propiedades de fluorescencia de emisores únicos, antes de nuestra investigación había una pregunta pendiente sobre si se podría mejorar la FRET o no», explica Jerome Wenger, coordinador del proyecto. «Responder a esta pregunta era esencial para poder aplicar la nanofotónica a mejorar el proceso de FRET que se utiliza con mucha frecuencia en biología y biotecnología». Una demostración clara La transferencia de energía entre moléculas, un fenómeno esencial para la fotosíntesis, los procesos fotovoltaicos y la biotecnología, se produce con mayor frecuencia cuando ocurre en un entorno donde se confina la luz. El objetivo del proyecto EXTENDFRET era controlar y mejorar esta transferencia de energía entre moléculas utilizando estructuras ópticas grabadas a escala nanométrica. Con este fin, los investigadores realizaron experimentos en el nivel de moléculas aisladas, monitorizando las emisiones de donantes y receptores en una amplia variedad de condiciones experimentales. Por ejemplo, prepararon pares de moléculas donantes y receptoras de energía vinculadas por ADN rígido de doble hélice. Estos pares se insertaron en aberturas definidas en una lámina de oro con dimensiones nanométricas. Mediante la medición precisa de las propiedades de radiación de los pares de moléculas, los investigadores pudieron demostrar que la velocidad de transferencia de energía entre moléculas es seis veces mayor cuando se produce en una abertura nanométrica. EXTENDFRET ha proporcionado una demostración clara de la influencia del entorno fotónico en la tasa de FRET en nanoestructuras plasmónicas. En particular, esta investigación ha dado lugar a una mejora importante de la velocidad de FRET, lo cual muestra que la nanofotónica es especialmente relevante para mejorar la FRET en el caso de grandes separaciones entre donantes y receptor. «Al principio del proyecto existía la creencia generalizada de que era imposible controlar la transferencia de energía entre moléculas utilizando la nanofotónica», explica Wenger. «Nuestra investigación ha demostrado lo contrario de forma concluyente». Nuevas puertas abiertas Estos resultados prometedores han allanado el camino de cara a mejorar el proceso de transferencia de energía que se utiliza de forma generalizada en biología y biotecnología, de modo que las nanoestructuras ópticas se podrían aplicar a biosensores, fuentes de luz y sistemas fotovoltaicos. Por ejemplo, utilizando FRET de largo alcance, ahora los investigadores pueden conocer mejor la estructura plegada de las grandes moléculas de proteínas y ADN. «Esto mejorará el conocimiento de la expresión y regulación genética, y mejorará el desarrollo de fármacos», afirma Wenger. Por una parte, los resultados establecen claramente que es posible ajustar la FRET mediante nanofotónica, lo cual significa que la nanofotónica permitiría mejorar estas aplicaciones de FRET en sistemas fotovoltaicos, fuentes de luz orgánicas y biodetección. Por otra parte, la nueva observación de la gran mejora de la FRET que se observa con grandes separaciones de donante-receptor o en la orientación perpendicular entre los dipolos donante y receptor proporciona un nuevo paradigma para estudiar estructuras bioquímicas con distancias donante-aceptador mucho mayores que el rango habitual que se utiliza en la FRET. Actualmente, el proyecto trabaja en repetir esta prueba de concepto en aplicaciones más orientadas a la biología, incluido el estudio de la dinámica de las proteínas en cuanto se refiere a la asociación molecular y los cambios estructurales. Además, el proyecto ha presentado dos solicitudes de patentes en el campo de la microscopia óptica.
Palabras clave
EXTENDFRET, FRET, nanofotónica, biotecnología, ciencias biológicas