Försterowski rezonansowy transfer energii (FRET) — podstawy fizyczne i zastosowania

• Autorzy: Kotulska Agata M.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Försterowski rezonansowy transfer energii (FRET) jest jednym ze zjawisk fizycznych, które znalazły szerokie zastosowanie w biologii i przyczyniły się do zrozumienia funkcjonowania żywych komórek na poziomie molekularnym. Zmiany efektywności transferu energii wraz ze zmianą wzajemnej odległości donora i akceptora są widoczne podczas pomiarów spektroskopowych czasów życia luminescencji lub widma emisji. Zjawisko to umożliwia badanie wielu procesów takich jak hybrydyzacja DNA, zmiany konformacji białek czy też reakcji wiązania się przeciwciała z antygenem. Tradycyjnie do tego celu stosuje się barwniki organiczne lub białka fluorescencyjne. Jednak ze względu na ich wady, takie jak słabo rozdzielone, szerokie pasma absorpcyjne i emisyjne, krótkie — nanosekundowe czasy życia fluorescencji poziomów energetycznych czy fotowybielanie, nadal poszukuje się alternatywnych fluoroforów wykazujących pożądane cechy spektroskopowe. Rozwiązaniem dla napotykanych niepożądanych właściwości spektroskopowych barwników organicznych jest zastosowanie nanokryształów domieszkowanych jonami lantanowców jako donorów energii. Takie nanomateriały wykazują wysoką fotostabilność luminescencji, wąskie spektralnie pasma absorpcji i emisji, emisję antystokesowską oraz długie czasy zaniku luminescencji. W artykule przedstawiono podstawy fizyczne zjawiska FRET oraz zaprezentowano nowe wyzwania dla nanoluminoforów domieszkowanych jonami lantanowców, jako nowych alternatywnych donorów energii do studiowania procesów FRET.

EN

Förster Resonance Energy Transfer (FRET) is the physical phenomena that has found wide application in biology and contributed to understanding the functioning of living cells at the molecular level. Changes in the energy transfer eõciency are associated with the change of distance between the donor and acceptor, are visible during spectroscopic measurements, such as luminescence lifetimes or emission spectra. his phenomenon enables the study of many processes such as DNA hybridization, changes in protein conformation or the binding reaction of an antibody to an antigen. Traditionally, organic dyes or uorescent proteins are used for this purpose. However, due to their disadvantages, such as poorly separated, wide absorption and emission bands, short nanosecond luminescence lifetimes, and photobleaching, alternative uorophores with the desired spectroscopic characteristics are still being sought. he solution to the encountered imperfections of organic dyes is the use of nanocrystals doped with lanthanide ions as energy donors. his kind of nanomaterials show high luminescence photostability, narrow spectral absorption and emission bands, anti-Stokes emission and long luminescence decay times. his article presents the physical basis of the FRET phenomenon and new challenges for lanthanide-doped nanoluminophores as new alternative energy donors for researches in FRET processes.

Słowa kluczowe

PL

FRET; försterowski rezonansowy transfer energii; nanokryształy; barwniki organiczne; lantanowce; linijka spektroskopowa

EN

FRET; Förster resonance energy transfer; nanocrystals; organic dyes; lanthanides ions; spectroscopic ruler

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Fizyczne
• Czasopismo: Postępy Fizyki
• Rocznik: 2021
• Tom: T. 72, z. 1
• Strony: 8--15
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys.

Twórcy

autor

Kotulska Agata M.

• Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk

• https://orcid.org/0000-0001-6335-9537

Bibliografia

• [1] D. Geißler, S. Linden, K. Liermann, K. D. Wegner, L. J. Charbonnière, N. Hildebrandt “Lanthanides and Quantum Dots as Förster Resonance Energy Transfer Agents for Diagnostics and Cellular Imaging” Inorg. Chem. vol. 53, no. 4, pp. 1824–1838, 2014.
• [2] R. Zhou, S. Kunzelmann, M. R.Webb, T. Ha “Detecting Intramolecular Conformational Dynamics of Single Moleculesin Short Distance Rangewith Subnanometer Sensitivity” Nano Lett vol. 11, pp. 5482–5488, 2011.
• [3] I. Medintz and N. Hildebrandt, FRET — Förster Resonance Energy Transfer Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2014.
• [4] T. Förster “Energiewanderung und Fluoreszenz” Naturwissenschaen vol. 33, no. 6, pp. 166–175, 1946.
• [5] T. Förster “Energy migration and fluorescence” J. Biomed. Opt. vol. 17, no. 1, p. 011002, 2012.
• [6] J. Deal, D. J. Pleshinger, S. C. Johnson, S. J. Leavesley, T. C. Rich “Milestonesin the development and implementation of FRET-based sensors of intracellular signals: A biological perspective of the history of FRET” Cellular Signalling vol. 75. ElsevierInc., p. 109769, 2020.
• [7] R. S. Knox “Intermolecular energy migration and uorescence” w Biological Physics 1st ed., E. V. Mielczarek, R. S. Knox, E. Greenbaum (Eds.) AIP-Press, 1993, pp. 148–160.
• [8] T. Förster “Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz” Ann. Phys. vol. 437, no. 1–2, pp. 55–75, 1948.
• [9] T. Förster “10th Spiers Memorial Lecture. Transfer mechanisms of electronic excitation” Discussions of the Faraday Society vol. 27, no. 0. he Royal Society of Chemistry, pp. 7–17, 1959.
• [10] D. L. Dexter “A theory of sensitized luminescence in solids” J. Chem. Phys. vol. 21, no. 5, pp. 836–850, 1953.
• [11] F. Auzel “Upconversion and Anti-Stokes Processes with f and d Ions in Solids” Chem. Rev. vol. 104, no. 1, pp. 139–173, 2004.
• [12] B. Hellenkamp et al. “Precision and accuracy of single-molecule FRET measurements— a multilaboratory benchmark study” Nat. Methods vol. 15, no. 9, pp. 669–676, 2018.
• [13] A. Gopi, S. Lingamoorthy, S. Soman, K. Yoosaf, R. Haridas, S. Das “Modulating FRET in Organic–Inorganic Nanohybridsfor Light Harvesting Applications” J. Phys. Chem. C vol. 120, no. 46, pp. 26569–26578, 2016.
• [14] hermo Fischer Scientifc “Fluorescence SpectraViewer” Brand, 2017 [online]. https://www.thermoûsher.com/pl/en/home/lifescience/cell-analysis/labeling-chemistry/uorescence-spectraviewer.html.[Accessed: 18-Mar-2020].
• [15] “Fluorescence Spectra Viewers” [online].Available: https://www.nightsea.com/sfa-sharing/uorescence-spectra-viewers/. [Accessed: 20-Apr2020].
• [16] A. Miyawaki, A. Sawano, T. Kogure “Lighting up cells: Labelling proteins with uorophores” Nat. Rev. Mol. Cell Biol. vol. 4, no. SUPPL. 2003.
• [17] A. Gnach A. Bednarkiewicz “Lanthanide-doped up-converting nanoparticles: Merits and challenges” Nano Today vol. 7, no. 6, pp. 532–563, 2012.
• [18] K. Quan, C. Yi, X. Yang, X. He, J. Huang, K. Wang “FRET-based nucleic acid probes: Basic designs and applications in bioimaging” TrAC - Trends Anal. Chem. vol. 124, p. 115784, 2020.
• [19] A. Kaur S. Dhakal “Recent applications of FRETbased multiplexed techniques” TrAC - Trends Anal. Chem. vol. 123. Elsevier B.V., p. 115777, 2020.
• [20] G. Blasse B. C. Grabmaier Luminescent Materials Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1994.
• [21] S. McLennan R. S. Taylor he Rare Earth Elements: Fundamentals and Applications vol. 91, no. 5. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2012.
• [22] G. H. Dieke, H. M.Crosswhite, B. Dunn “Emission Spectra of the Doubly and Triply Ionized Rare Earths” J. Opt. Soc. Am. vol. 51, no. 8, p. 820, 1961.
• [23] L. H. Yang, D. J. Ahn, E. Koo “Ultrasensitive FRETbased DNAsensor using PNA/DNAhybridization” Mater. Sci. Eng. C vol. 69, pp. 625–630, 2016.
• [24] R. M. Clegg “Fluorescence resonance energy transfer and nucleic acids” Methods Enzymol. vol. 211, no. C, pp. 353–388, 1992.
• [25] M. V. Golynskiy, W. F. Rurup, M. Merkx “Antibody Detection by Using a FRET-Based Protein Conformational Switch” ChemBioChem vol. 11, no. 16, pp. 2264–2267, 2010.
• [26] K. R. Bajgiran, J. A. Dorman, A. T. Melvin “Dipole-Modulated Downconversion Nanoparticles as Label-Free Biological Sensors” ACS Sensors vol. 5, no. 1, pp. 29–33, 2020.
• [27] J. T. Cao, W. S. Zhang, H. Wang, S. H. Ma, Y. M. Liu “A novel uorescence immunosensor based on Förster resonance energy transfer between nitrogen and sulfur co-doped carbon dot functionalized silica nanospheres and Au@Ag NPs” New J. Chem. vol. 43, no. 3, pp. 1424–1430, 2019.
• [28] S. Wang, N. Mamedova, N. A. Kotov, W. Chen, J. Studer “Antigen/Antibody Immunocomplex from CdTe Nanoparticle Bioconjugates” Nano Lett. vol. 2, no. 8, pp. 817–822, 2002.
• [29] H. E. Grecco et al. “Ensemble and single particle photophysical properties (two-photon excitation, anisotropy, FRET, lifetime, spectral conversion) of commercial quantum dots in solution and in live cells” Microsc. Res. Tech. vol. 65, no. 4–5, pp. 169–179, 2004.
• [30] E. A. Jares-Erijman T. M. Jovin “Imaging molecular interactions in living cells by FRET microscopy” Current Opinion in Chemical Biology vol. 10, no. 5. Elsevier Current Trends, pp. 409–416, 2006.
• [31] E. A. Jares-Erijman T. M. Jovin “FRET imaging” Nature Biotechnology vol. 21, no. 11. Nature Publishing Group, pp. 1387–1395, 2003.
• [32] O. Tagit, G. Annio, N. Hildebrandt, “Terbium to quantum rod Förster resonance energy transfer for homogeneous bioassays with picomolar detection limits” Microchim. Acta vol. 182, no. 9–10, pp. 1693–1700, 2015.
• [33] A. Pilch et al. “Shaping Luminescent Properties of Yb3+ and Ho3+ Co-Doped Upconverting Core–Shell β-NaYF4 Nanoparticles by Dopant Distribution and Spacing” Small vol. 13, no. 47, pp. 54–66, 2017.
• [34] W. R. Algar, N. Hildebrandt, S. S. Vogel, I. L. Medintz “FRET as a biomolecular research tool —understanding its potential while avoiding pitfalls” Nat. Methods vol. 16, no. 9, pp. 815–829, 2019.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).