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Las técnicas de molécula única como la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia de molécula única (smFRET) o la espectroscopia de correlación de fluorescencia de molécula única (FCS) son herramientas poderosas para la biofísica molecular, permitiendo el estudio de movimientos dinámicos, conformaciones e interacciones de biomoléculas individuales en procesos como la transcripción1,2,3,traducción4,5,6,y muchos otros7. Para smFRET, la microscopía de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF) es un método común porque muchas moléculas atados pueden seguirse con el tiempo, y la onda evanescente generada por TIR se limita a una región de 100−200 nm adyacente a la cubierta8. Sin embargo, incluso con esta restricción en el volumen de excitación, los fluoróforos de interés todavía necesitan ser diluidos a rangos de pM o nM para detectar señales de una sola molécula por encima de la fluorecencia de fondo9. Dado que las constantes de Michaelis-Menten de las enzimas celulares están típicamente en el rango de μM a mM10,las reacciones bioquímicas en los estudios de moléculas individuales suelen ser mucho más lentas que las de la célula. Por ejemplo, la síntesis de proteínas ocurre a 15−20 aminoácidos por segundo en E. coli11,12,mientras que la mayoría de los ribosomas procariotas en experimentos smFRET se traducen a 0,1−1 aminoácidos por segundo13. En la síntesis de proteínas, las estructuras cristalinas y smFRET en ribosomas estancados mostraron que los ARN de transferencia (ARNt) fluctúan entre los estados 'híbrido' y 'clásico' antes de la etapa de translocación de ARNt-ARNm14,15. Sin embargo, cuando las concentraciones fisiológicas del factor de translocación GTPasa, EF-G, estuvo presente, se observó una conformación diferente, intermedia entre los estados híbrido y clásico, en smFRET6. El estudio de procesos moleculares dinámicos a tasas y concentraciones similares a las de la célula es importante, pero sigue siendo un desafío técnico.
Una estrategia para aumentar la concentración de sustrato fluorescente es el uso de aperturas de longitud de onda sub-visibles basadas en metal, llamadas guías de onda de modo cero (ZMWs), para generar campos de excitación confinados que excitan selectivamente las biomoléculas localizadas dentro de las aperturas16 (Figura 1). Las aperturas son típicamente 100−200 nm de diámetro y 100−150 nm de profundidad17. Por encima de una longitud de onda de corte relacionada con el tamaño y la forma de los pozos (λc ≈ 2,3 veces el diámetro para las guías de onda circulares con agua como el medio dieléctrico18),no se permiten modos de propagación en la guía de onda, de ahí el término guías de onda de modo cero. Sin embargo, un campo electromagnético oscilante, denominado onda evanescente, que decae exponencialmente en intensidad todavía hace túneles a corta distancia en la guía de onda18,19. Aunque son similares a las ondas evanescentes TIR, las ondas evanescentes ZMW tienen una constante de decaimiento más corta, lo que resulta en una región de excitación efectiva de 10−30 nm dentro de la guía de onda. En las concentraciones micromolares de ligands fluorescente etiquetados, solamente una o algunas moléculas están simultáneamente presentes dentro de la región de la excitación. Esta restricción del volumen de excitación y la consiguiente reducción de la fluorescencia de fondo permite la obtención de imágenes de fluorescencia de moléculas individuales a concentraciones biológicamente relevantes. Esto se ha aplicado a muchos sistemas20,incluyendo mediciones fcs de difusión de proteína única21,mediciones fret de molécula única de ligando de bajaafinidad-proteína 22 e interacciones proteína-proteína23,y mediciones espectro-electroquímicas de eventos de recambio molecular único24.
Los ZMWs se han producido modelando directamente una capa metálica utilizando fresado de haz de iones25,26 o litografía de haz de electrones (EBL) seguida de grabado por plasma16,27. Estos métodos de litografía sin máscara crean guías de onda en serie y normalmente requieren acceso a instalaciones especializadas de nanofabricación, lo que impide la adopción generalizada de la tecnología ZMW. Otro método, la litografía ultravioleta nanoimprint lift-off28, utiliza un molde de deslizamiento de cuarzo para presionar una plantilla ZMW inversa sobre una película de resistencia como un sello. Si bien este método es más simplificado, todavía requiere EBL para la fabricación del molde de cuarzo. Este artículo presenta el protocolo para un método de fabricación con plantilla simple y económico que no requiere EBL o fresado de haz de iones y se basa en el cierre de embalaje de nanoesferas para formar una máscara litográfica.
La nanoesfera o litografía "natural", que fue propuesta por primera vez en 1982 por Deckman y Dunsmuir29,30,utiliza el autoensamblaje de partículas coloidales monodisperse, que van desde decenas de nanómetros hasta decenas de micrómetros31,para crear plantillas para el modelado de superficies a través de grabado y / o deposición de materiales. Las matrices periódicas extendidas bidimensionales (2D) o tridimensionales (3D) de partículas coloidales, denominadas cristales coloidales, se caracterizan por una iridiscencia brillante de dispersión y difracción32. Aunque se utiliza menos que el haz de electrones o la fotolitografía, esta metodología de enmascaramiento es simple, de bajo costo y se reduce fácilmente para crear tamaños de entidad por debajo de 100 nm.
Dirigir el autoensamblaje de partículas coloidales determina el éxito del uso de cristales coloidales como máscaras para el modelado de superficies. Si el tamaño y la forma de las partículas son homogéneos, las partículas coloidales pueden autoensamblarse fácilmente con empaquetamiento hexagonal, impulsado por el agotamiento entrómico33. La evaporación del agua después del recubrimiento de gota es una ruta efectiva para sedimentar las partículas coloidales, aunque otros métodos incluyen el recubrimiento por inmersión34,el recubrimiento de espín35,la deposición electroforética36y la consolidación en una interfaz aire-agua37. El protocolo que se presenta a continuación se basa en el método de sedimentación por evaporación, que fue el más sencillo de implementar. Los intertices triangulares entre perlas de poliestireno empaquetadas de cerca forman aberturas en las que platear un metal de sacrificio, formando postes (Figura 2 y Figura suplementaria 1). El breve recocido de las cuentas antes de este paso ajusta la forma y el diámetro de estos postes. Se retiran las cuentas, se deposita una capa de metal final alrededor de los postes y luego se retiran los postes. Después de que los dos pasos de deposición de metal en la nanomáscara coloidal, la eliminación de los postes intermedios, y la modificación de la química de la superficie para la pasivación y el atado, matrices ZMW están listas para su uso para la obtención de imágenes de una sola molécula. Una caracterización más extensa de las propiedades ópticas de ZMW después de la fabricación se puede encontrar en un artículoadjunto 38. Además de un evaporador térmico para la deposición de vapor de los metales, no se requieren herramientas especializadas.