«Мы обнаружили, что размер и форма флуоресцентных белков таковы, что их яркость максимальна, когда они находятся в наиболее концентрированной форме», – говорит Юн. "Это похоже на то, как если бы в течение миллионов лет биологической эволюции Природа оптимизировала эти белки для достижения максимальной яркости. Теперь мы использовали это свойство для разработки нескольких миниатюрных твердотельных лазеров."
«Помимо непосредственного использования биологически продуцируемых флуоресцентных белков, изучение того, как им удается так эффективно генерировать свет при высокой концентрации, может помочь в разработке будущих, более эффективных синтетических материалов», – добавляет Гатер.
В статье 2011 года, опубликованной в Nature Photonics, Юн и Газер описали использование одной клетки, генетически модифицированной для экспрессии зеленого флуоресцентного белка (GFP), для усиления световых частиц, называемых фотонами, в короткие импульсы лазерного света. В живых клетках молекулы флуоресцентных белков окружены молекулами воды и другими белками, поэтому их концентрация ограничена.
Настоящее исследование было разработано для изучения разработки лазера на основе флуоресцентных белков в твердом состоянии, который было бы легче встроить в другие устройства.
Часть флуоресцентной белковой молекулы, которая на самом деле излучает свет, называемая флуорофором, заключена в цилиндрическую белковую структуру, которая не позволяет флуорофорам соседних молекул приближаться друг к другу слишком близко, что уменьшит количество потерянного света до минимума. явление, называемое тушением. Чтобы исследовать свою гипотезу о том, что эти структурные особенности предотвращают тушение естественных флуоресцентных белков даже при самых высоких концентрациях, исследователи измерили интенсивность света, излучаемого растворами GFP различной концентрации и тонкой пленкой высушенного GFP, и сравнили эти результаты с свет, производимый искусственным флуоресцентным красителем.
В то время как при более низких концентрациях увеличение уровней как GFP, так и красителя приводило к усилению флуоресценции, в определенный момент количество света, излучаемого искусственным красителем, начало падать до тех пор, пока не стал обнаруживаться свет от твердой формы красителя. Напротив, флуоресценция GFP продолжала усиливаться с более высокими концентрациями, и максимальная яркость была достигнута за счет твердой формы, что подтверждает теорию о том, что флуорофоры GFP и других природных белков защищены от тушения.
Получив доказательства того, что твердая форма GFP дает самый яркий свет, исследователи сначала сконструировали лазерное устройство, в котором тонкая пленка высушенного GFP помещена между двумя зеркалами с высокой отражающей способностью. По сравнению с устройствами, использующими более низкие концентрации GFP в растворе, твердотельный лазер GFP требовал в 10 раз меньше энергии возбуждения для начала генерации.
В другом устройстве использовался «эффект кофейных пятен», при котором растворенный в растворе материал осаждается кольцом вокруг края капли по мере ее высыхания.
Эксперименты команды показали, что свет, излучаемый белковыми молекулами внутри микроскопических колец, образованных высушенными каплями флуоресцентного белка, усиливается, когда он циркулирует по кольцу, что приводит к образованию лазерного света. Помещение колец из разных типов флуоресцентных белков близко друг к другу позволило исследователям реализовать многоцветное лазерное излучение.
Изменения влажности окружающей среды белковых колец изменяют интенсивность излучаемого света, указывая на то, что устройства, основанные на эффекте, могут использоваться в качестве датчиков.
«Этот кольцевой лазер GFP – первый лазер, полностью сделанный из белков», – говорит Юн. «В будущем биосовместимые лазеры могут быть имплантированы в тело или встроены в ткани, чтобы обеспечить оптическое восприятие молекулярной и физической среды, стимуляцию клеток или активацию светочувствительных лекарств."