Labelfreie Massen- und Größencharakterisierung von wenigen kDa Biomolekülen mittels hierarchischem Vision Transformer-unterstützter nanofluidischer Streuungsmikroskopie

Zusammenfassung Nanofluidische Streuungsmikroskopie charakterisiert einzelne Moleküle in subwellenlängenlangen nanofluidischen Kanälen label-frei, indem sie die Interferenz von sichtbarem Licht nutzt, das vom Molekül und dem Nanokanal gestreut wird. Sie bestimmt den hydrodynamischen Radius eines Moleküls durch Verfolgung seiner Diffusionstrajektorie und sein Molekulargewicht durch Analyse seiner Streuintensität entlang dieser Trajektorie. Allerdings ist die Charakterisierung mit Standard-Analysemethoden auf Proteine größer als ≈ 60 kDa begrenzt. Hier erweitern wir diese Grenze um eine Größenordnung auf unter ≈ 6 kDa Molekulargewicht und ≈ 1,5 nm hydrodynamischen Radius — exemplarisch gezeigt am Peptidhormon Insulin — durch Verwendung ultrasmaller nanofluidischer Kanäle und Analyse der Daten mit einem hierarchischen Vision Transformer. Beim Vergleich dieses Ansatzes mit der theoretischen Grenze, definiert durch die Cramér–Rao-Untergrenze, stellen wir fest, dass diese mit ausreichend langen Molekültrajektorien erreicht werden kann. Dies ermöglicht quantitative, label-freie Einzelmolekülmikroskopie für biologisch relevante Familien von Molekülen unter 10 kDa, wie Zytokine, Chemokine und Peptidhormone.