Onderzoekers van de TU Delft hebben gouden nanosterren ontwikkeld die de fluorescentie van eiwitten in levende cellen versterken. Daarbovenop, zo tonen ze in Advanced Materials, laten de nanodeeltjes dichtbij gelegen lichtgevende eiwitten sneller reageren op veranderingen in elektrische spanning. Dat maakt ze een ideale nieuwe tool om elektrische signalen in de hersenen zichtbaar te maken.  

Vanuit de nanofotonica is al langer bekend dat metalen deeltjes vanwege het zogeheten plasmonisch effect – waarbij licht vrije elektronen op nanoschaal gezamenlijk laat meetrillen – licht extreem lokaal kunnen versterken. Meestal vinden dit soort nanodeeltjes hun toepassingen in polymeren of fluoroforen, maar zelden in een biologisch relevante omgeving.

Nu hebben onderzoekers onder leiding van imaging-expert Daan Brinks van de TU Delft onderzocht wat er gebeurt als je dit soort nanodeeltjes dichtbij lichtgevende eiwitten plaatst. Eerste auteurs Marco Locarno en Qiangrui Dong synthetiseerden hiervoor gouden nanosterren, en ontdekten dat deze het uitgezonden licht van spanningsgevoelige membraaneiwitten in levende zoogdiercellen met wel 70 procent wisten te versterken. Daarbij zagen ze dat de nanodeeltjes ook andere eigenschappen van de eiwitten beïnvloedden, zoals hun reactietijd op een aangelegde spanning. Locarno: ‘De techniek is daarom bruikbaar om de functie van eiwitten aan te passen zonder hun structuur te veranderen.’

Scherpe punten

Hoewel verschillende vormen, zoals een bal of staafje, een plasmonisch effect kunnen realiseren, kozen de onderzoekers voor een ster. ‘Die hebben scherpe punten, en we wisten dat de ladingsdichtheid hier door hun kromming groter is’, verklaart Locarno de keuze. ‘Daardoor creëert zo’n punt een elektrisch veld dat wel duizenden keren groter is dan in de omgeving, in het volume van een kubieke nanometer.’ Hierdoor focussen de nanosterren – met een breedte van ongeveer 80 nanometer – het uitgezonden licht van een fluorescent eiwit in hun sterpunten, wat het feller maakt.

Maar er speelt nog een tweede effect mee. De nabijheid van het nanodeeltje zorgt er namelijk ook voor dat de kans dat het eiwit een lichtdeeltje uitzendt toeneemt. In andere woorden, de nanosterren verhogen de fluorescentie-efficiëntie van de normaliter doffe eiwitten, waardoor deze meer licht uitzenden. Locarno: ‘Hoewel dit effect uitgebreid bestudeerd en bekend is, blijft de precieze reden hiervoor nog steeds vrij obscuur.’  

Onverwacht

De onderzoekers werkten in hun experimenten met spanningsgevoelige, fluorescente eiwitten die worden ingezet om te bestuderen hoe neuronen elektrische signalen aan elkaar doorgeven. Toen de onderzoekers een vierkantsgolfspanning door cellen met deze membraaneiwitten heen stuurden, zagen ze de eiwitten niet enkel feller oplichten, maar ook dat ze zo’n tien keer sneller reageerden op veranderingen in elektrische spanning. Locarno: ‘We dachten enkel een feller signaal te gaan meten, dus dit was geheel onverwacht.’

Met wiskundige modellen ontdekten de onderzoekers een mogelijke reden voor dit resultaat. Ze berekenden dat een nanoster niet enkel de moleculaire quantumtoestand van het eiwit – wat fluorescentie bepaalt – aanpast, maar ook dat ze een invloed uitoefent op de overgang tussen de driedimensionale structuurveranderingen van het eiwit. Locarno: ‘Hierbij zagen we dat de overgang net voor het bereiken van de fluorescente toestand sterk beïnvloed werd en een stuk sneller verliep. Onze techniek verandert dus ook de functie van het eiwit.’

Neuronen

De nanodeeltjes zouden zeer waardevol kunnen zijn voor hersenonderzoek. Met snellere en lokaal sterkere signalen valt elektrische activiteit nauwkeuriger te meten op de schaal van synapsen, waar neuronen informatie doorgeven.

Vooralsnog gebruikten de onderzoekers in hun experimenten enkel menselijke embryonale niercellen – HEK 293-cellen, een van de populairste cellijnen in het onderzoek – in plaats van neuronen, die een stuk moeilijker zijn in gebruik. Hierbij brachten ze de eiwitten in het plasmamembraan van de HEK-cellen tot expressie. ‘Een van de volgende dingen die we nu willen doen is om de nanodeeltjes daadwerkelijk bij neuronen te testen, al verwachten we dat hun effect hetzelfde blijft.’

Ook willen de onderzoekers hun nano-antennes toepassen op verschillende soorten eiwitten in verschillende fysiologische omgevingen. ‘Eiwitten kunnen bijvoorbeeld een licht-geactiveerde transitie ondergaan, die mogelijk ook te beïnvloeden is door de nanosterren. Nu we hebben gezien dat de nanodeeltjes de werking van een eiwit kunnen veranderen, liggen er veel nieuwe vragen op tafel.’  

Locarno, M., Dong, Q., et al. (2026), Plasmonic Enhancement of Fluorescence and Protein Dynamics in Living Mammalian Cells (Adv. Mater. 45/2026). Adv. Mater., 38: e74506. https://doi.org/10.1002/adma.74506