Nano-optika: Zaměření

Výzkum nového týmu Nano-optiky se zaměřuje na získávání nových poznatků o interakci světla s hmotou na nanoskopické úrovni pod hranicí difrakčního limitu světla a vývoji nových experimentálních metod k řešení aktuálních otázek v biologii, biofyzice a chemii. K tomu využíváme celou řadu experimentálních metod, převážně zaměřených na analýzu jednotlivých nanočástic nebo molekul. V našich laboratořích využíváme optickou mikroskopii, laserovou spektroskopii, kvantovou optiku, optiku blízkého pole a plazmoniku a kombinujeme měřící technologie s moderními chemickými a bioanalytickými metodami a biotechnologiemi.

Rozptyl světla na nanočásticích a molekulách

Rozptyl je nejzákladnější interakce světla s hmotou. To, jakou část světla daný, konečně malý objekt rozptýlí je určeno jeho účinným průřezem na použité vlnové délce. Tento rozptyl lze detekovat přímým optickým měřením odraženého nebo prošlého světla s citlivostí, která dokáže i ve viditelné oblasti světla rozeznat fluktuace odpovídající změnám na úrovni jednotlivých molekul.

K tomu, abychom mohli experimentovat na jednotlivých molekulách, makromolekulách nebo dalších objektech obdobné velikosti, musíme tyto objekty nejdříve zobrazit a detekovat. K tomu účelu využíváme detekci makromolekul (například proteinů) v jejich přirozeném prostředí a bez použití molekulárních značek. Takové metody byly nedávno vyvinuty na několika předních světových pracovištích. Interferometrická detekce rozptýleného světla (iSCAT) využívaná v naší laboratoři je dosud jediná, která dokáže zaznamenat jednoznačnou informaci o individuálních molekulárních interakcích kdekoli v zorném poli mikroskopu.

S dosažením detekční citlivosti na úrovni jediné molekuly otevíráme celou řadu nových technologií a aplikací, ať už se jedná o sledování a lokalizaci pohybu jednotlivých proteinů, monitorování biomolekulárních interakcí, studování kooperativních biochemických reakcí či interakce větších biologických celků a jednotlivých buněk.

Výzkumná vize skupiny nicméně sahá daleko za prostou detekci jednotlivých biomolekul. K největším výzvám našeho bádání patří detailní analýza jednotlivých proteinů a jejich chemické a mechanické funkce. Taková měření jsou fyzikálně omezena difrakcí světla a proto kombinujeme základní zobrazovací metodu iSCAT s dalšími specifickými optickými vlastnostmi a jevy, které nám umožňují prolomit difrakční limit podobně, jako se to daří pomocí super-rozlišovací mikroskopie. 

Relevantní publikace:

1. S. Spindler, J. Ehrig, K. Koenig, T. Nowak, M. Piliarik, H. Stein, R. Taylor, E. Garanger, S. Lecommandoux, I. Alves, V. Sandoghdar, Visualization of lipids and proteins at high spatial and temporal resolution via interferometric scattering (iSCAT) microscopy, Journal of Physics D: Applied Physics 49 (2016) 349601.
2. M. Piliarik, V. Sandoghdar, Direct optical sensing of single unlabelled proteins and super-resolution imaging of their binding sites, Nature Communications 5 (2014) 4495.
3. J. Ortega Arroyo et al., Label-Free, All-Optical Detection, Imaging, and Tracking of a Single Protein, Nano Letters 14 (2014) 2065.
4. S. Weisenburger and V. Sandoghdar, Light Microscopy: An ongoing contemporary revolution, Contemporary Physics 56 (2015) 123.