Новая технология усиливает сигналы для наблюдения за химией клеток

Исследователи из Института фундаментальных исследований Тата представили новую стратегию молекулярного дизайна, которая значительно усиливает слабые сигналы в рамановской микроскопии. Это позволяет отслеживать химические процессы внутри живых клеток с высокой чувствительностью, используя стандартное оборудование.

Рамановская микроскопия позволяет «видеть» молекулы по их уникальным спектральным подписям, но сигналы крайне слабы. Новая разработка, названная ABATaRs (Activity-Based Alkyne-Tagged Raman sensors), использует «донорно-акцепторный» (push-pull) эффект. Электронодонорные и электроноакцепторные группы размещаются по разные стороны молекулы, что резко увеличивает поляризуемость ацетиленовой метки — ключевого компонента датчика.

Как объясняют авторы:

«Стратегическое размещение донорно-акцепторных фрагментов по разные стороны тройной связи в ABATaRs создало мощную систему, которая увеличила плотность электронного облака и, следовательно, изменение поляризуемости при колебании связи. Это сделало сигнал очень сильным — сильнее, чем можно достичь традиционными подходами».

Новые сенсоры демонстрируют в 10–30 раз более высокую активность рамановского рассеяния по сравнению со стандартными ацетиленовыми метками. Это позволяет детектировать их при низких микромолярных концентрациях на обычных микроскопах.

Кроме того, ABATaRs работают как ратиометрические датчики. При взаимодействии с целевым аналитом (например, перекисью водорода, ионами меди или при изменении pH) структура молекулы меняется, что приводит к сдвигу частоты сигнала. Этот сдвиг служит внутренним референсом, позволяя отличить реальную химическую реакцию от колебаний концентрации зонда.

В ходе исследования команда успешно провела одновременную мультиплексную визуализацию двух коррелирующих аналитов — ионов меди и перекиси водорода — в живых человеческих клетках. Зонды оказались нетоксичными, стабильными и проницаемыми для клеток.

Учёные подчёркивают, что ABATaRs — это не единичные датчики, а общая платформа для разработки.

«Мы диверсифицировали центральную схему, создав зонды для трёх разных аналитов, и та же модель "ключ-замок" может быть применена для разработки зондов для других биоаналитов», — говорят исследователи.

Эта работа открывает новые возможности для химической визуализации в биологии клетки, исследованиях заболеваний и биомедицинской диагностике с использованием уже доступного в лабораториях оборудования.