Ett tvärvetenskapligt forskarlag från Bochum, Duisburg och Zürich har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att konstruera modulära optiska sensorer som kan detektera virus och bakterier. Forskarna använde fluorescerande kolnanorör med en ny typ av DNA-ankare som fungerar som molekylära handtag.
Ankarstrukturerna kan användas för att konjugera biologiska igenkänningsenheter såsom antikroppar aptamerer till nanorören. Igenkänningsenheten kan därefter interagera med bakteriella eller virala molekyler till nanorören. Dessa interaktioner påverkar nanorörens fluorescens och ökar eller minskar deras ljusstyrka.
Ett team bestående av professor Sebastian Kruss, Justus Metternich och fyra medarbetare från Ruhr University Bochum (Tyskland), Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems och ETH Zürich rapporterade sina resultat i Journal of the American Chemical Society , publicerad online den 27 juni 2023.
Teamet använde rörformiga nanosensorer som var gjorda av kol och hade en diameter på mindre än en nanometer. När de bestrålas med synligt ljus avger kolnanorör ljus i det nära-infraröda området. Nära-infrarött ljus är inte synligt för det mänskliga ögat. Den är dock perfekt för optiska tillämpningar, eftersom nivån på andra signaler i det här området är mycket reducerad.
I tidigare studier hade Sebastian Kruss team redan visat hur fluorescensen av nanorör kan manipuleras för att upptäcka vitala biomolekyler. Nu letade forskarna efter ett sätt att anpassa kolsensorerna för användning med olika målmolekyler på ett enkelt sätt.
Nyckeln till framgång var DNA-strukturer med så kallade guaninkvantumdefekter. Detta involverade att länka DNA-baser till nanoröret för att skapa en defekt i nanorörets kristallstruktur. Som ett resultat förändrades nanorörens fluorescens på kvantnivå. Dessutom fungerade defekten som ett molekylärt handtag som gjorde det möjligt att införa en detektionsenhet, som kan anpassas till respektive målmolekyl i syfte att identifiera ett specifikt viralt eller bakteriellt protein.
"Genom att fästa detekteringsenheten på DNA-ankarna, liknar monteringen av en sådan sensor ett system av byggstenar - förutom att de enskilda delarna är 100 000 gånger mindre än ett människohår", säger Sebastian Kruss.
Gruppen visade upp det nya sensorkonceptet med SARS CoV-2 spikproteinet som exempel. För detta ändamål använde forskarna aptamerer, som binder till SARS CoV-2 spikproteinet. "Aptamerer är vikta DNA- eller RNA-strängar. På grund av sin struktur kan de selektivt binda till proteiner", förklarar Justus Metternich. "I nästa steg skulle man kunna överföra konceptet till antikroppar eller andra detektionsenheter."
De fluorescerande sensorerna indikerade närvaron av SARS-CoV-2-proteinet med en hög grad av tillförlitlighet. Selektiviteten för sensorer med guaninkvantumdefekter var högre än selektiviteten för sensorer utan sådana defekter. Dessutom var sensorerna med guaninkvantumdefekter mer stabila i lösning.
"Detta är en fördel om man tänker på mätningar bortom enkla vattenlösningar. För diagnostiska applikationer måste vi mäta i komplexa miljöer t.ex. med celler, i blodet eller i själva organismen", säger Sebastian Kruss, som är chef för Functional Interfaces och Biosystems Group vid Ruhr University Bochum och är medlem i Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) och International Graduate School of Neuroscience.
Mer information: Justus T. Metternich et al, Near-Infrared Fluorescent Biosensors Based on Covalent DNA Anchors, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03336
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Ruhr-Universitaet-Bochum
