en TEM-bild (vänster, reproduceras minst 3 gånger) och skisser (höger) av DNA-origamistrukturen som används för nanoantennsammansättningen med positionen för den plasmoniska hotspoten indikerad i rött. En representativ klassgenomsnittlig TEM-bild av den använda DNA-origami visas uppe till höger. b Schematisk NACHOS-montering:DNA-origamikonstruktionen är bunden till den BSA-biotinbelagda ytan via biotin-NeutrAvidin-interaktioner, tiolerad DNA-funktionaliserade 100 nm silverpartiklar är fästa till DNA-origaminanoantennen via polyadenin (A20) bindande strängar i den blixtlåsliknande geometrin för att minimera avståndet mellan origamin och nanopartiklarna30. c TEM-bild av en NACHOS med 100 nm silvernanopartiklar (reproducerad minst 3 gånger). d Transienter i fluorescensintensitet med en molekyl, mätt med konfokalmikroskopi, normaliserad till samma excitationsstyrka som ett enda Alexa Fluor 647-färgämne inkorporerat i en DNA-origami (orange) och i en DNA-origami-nanoantenn med två 100 nm silvernanopartiklar (blå) exciterade vid 639 nm e. Fluorescensförbättrande distribution av Alexa Fluor 647 mätt i NACHOS med 100 nm silvernanopartiklar. Ett totalt antal av 164 och 449 enstaka molekyler i referensen (fler exempel finns i tilläggsbild 3) och NACHOS-strukturer analyserades, respektive. Kreditera: Naturkommunikation (2021). DOI:10.1038/s41467-021-21238-9
Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München forskare visar att ljuset som sänds ut av en enda molekyl kan detekteras med en billig optisk uppsättning. Deras prototyp skulle kunna underlätta medicinsk diagnostik.
Biomarkörer spelar en central roll vid diagnos av sjukdom och bedömning av dess förlopp. Bland de markörer som nu används är gener, proteiner, hormoner, lipider och andra klasser av molekyler. Biomarkörer kan hittas i blodet, i cerebrospinalvätska, urin och olika typer av vävnader, men de flesta av dem har en sak gemensamt:de förekommer i extremt låga koncentrationer, och är därför tekniskt utmanande att upptäcka och kvantifiera.
Många detektionsprocedurer använder molekylära sonder, såsom antikroppar eller korta nukleinsyrasekvenser, som är designade för att binda till specifika biomarkörer. När en sond känner igen och binder till sitt mål, kemiska eller fysikaliska reaktioner ger upphov till fluorescenssignaler. Sådana metoder fungerar bra, förutsatt att de är tillräckligt känsliga för att känna igen den relevanta biomarkören hos en hög andel av alla patienter som bär den i blodet. Dessutom, innan sådana fluorescensbaserade tester kan användas i praktiken, själva biomarkörerna eller deras signaler måste förstärkas. Det slutliga målet är att göra det möjligt att utföra medicinsk screening direkt på patienter, utan att behöva skicka proverna till ett avlägset laboratorium för analys.
Molekylära antenner förstärker fluorescenssignaler
Philip Tinnefeld, som innehar en professur i fysikalisk kemi vid LMU, har utvecklat en strategi för att bestämma nivåer av biomarkörer som finns i låga koncentrationer. Han har lyckats koppla DNA-sonder till små partiklar av guld eller silver. Par av partiklar ('dimerer') fungerar som nanoantenner som förstärker fluorescenssignalerna. Tricket fungerar enligt följande:Interaktioner mellan nanopartiklarna och inkommande ljusvågor intensifierar de lokala elektromagnetiska fälten, och detta leder i sin tur till en massiv ökning av amplituden av fluorescensen. På det här sättet, bakterier som innehåller antibiotikaresistensgener och till och med virus kan detekteras specifikt.
"DNA-baserade nano-antenner har studerats under de senaste åren, " säger Kateryna Trofymchuk, studiens första författare. "Men tillverkningen av dessa nanostrukturer innebär utmaningar." Philip Tinnefelds forskargrupp har nu lyckats konfigurera komponenterna i sina nano-antenner mer exakt, och vid positionering av DNA-molekylerna som tjänar som infångningssonder vid platsen för signalamplifiering. Tillsammans, dessa modifieringar gör att fluorescenssignalen kan amplifieras mer effektivt. Vidare, i den minimala volymen som är involverad, vilket är i storleksordningen zeptoliter (en zeptoliter är lika med 10-21 av en liter), ännu fler molekyler kan fångas.
Den höga graden av positioneringskontroll möjliggörs av DNA-nanoteknik, som utnyttjar DNA:s strukturella egenskaper för att styra sammansättningen av alla möjliga föremål i nanoskala – i extremt stora antal. "I ett prov, vi kan samtidigt producera miljarder av dessa nano-antenner, med en procedur som i princip består av att pipettera några lösningar tillsammans, säger Trofymchuk.
Rutindiagnostik på smartphonen
"I framtiden, säger Viktorija Glembockyte, också medförfattare till publikationen, "Vår teknik skulle kunna användas för diagnostiska tester även i områden där tillgången till el eller laboratorieutrustning är begränsad. Vi har visat att vi direkt kan detektera små DNA-fragment i blodserum, använder en bärbar, smartphone-baserat mikroskop som körs på ett konventionellt USB-nätaggregat för att övervaka analysen." Nyare smartphones är vanligtvis utrustade med ganska bra kameror. Bortsett från det, allt som behövs är en laser och en lins – två lättillgängliga och billiga komponenter. LMU-forskarna använde detta grundrecept för att konstruera sina prototyper.
De fortsatte med att visa att DNA-fragment som är specifika för antibiotikaresistensgener i bakterier kunde detekteras med denna uppsättning. Men analysen kan lätt modifieras för att upptäcka en hel rad intressanta måltyper, såsom virus. Tinnefeld är optimistisk:"Det senaste året har visat att det alltid finns ett behov av nya och innovativa diagnostiska metoder, och kanske kan vår teknik en dag bidra till utvecklingen av ett billigt och pålitligt diagnostiskt test som kan utföras hemma."
