Neue Ergebnisse bieten eine Plattform für effizientere, selektivere und empfindlichere DNA-Biosensoren, die zum Nachweis verschiedener Krankheitserreger und Krankheiten verwendet werden können.
Elektrochemische DNA-Biosensoren sind vielversprechend für die Überwachung verschiedener Krankheiten. Insgesamt sind ihre Nachweisanwendungen vielfältig, von Ziel-DNA-Analyten wie bakteriellen Genen und Tumorsequenzen bis hin zu klinisch relevanten Konzentrationen von beispielsweise SARS-CoV-2-Biomarkern.
Es ist jedoch eine Herausforderung, eine angemessene Empfindlichkeit und Selektivität solcher Systeme zu erreichen und ihre Übertragung vom Labor in eine klinische Umgebung zu ermöglichen, da diese Ansätze oft komplexe Chemie, elektrochemische Markierung, technisch anspruchsvolle Materialien oder mehrstufige Verarbeitung beinhalten.
Jetzt hat ein Forscherteam der Aalto University (Finnland) und der University of Strathclyde (Glasgow, UK) einen Weg gefunden, die Empfindlichkeit elektrochemischer DNA-Sensoren durch die Verwendung modularer DNA-Nanostrukturen als neuartige Komponenten deutlich zu verbessern. Die Forscher kombinierten die herkömmlichen DNA-basierten Sensortechniken mit programmierbaren DNA-Origami-Strukturen, um einen markierungsfreien Sensor mit deutlich erhöhter Selektivität und Nachweisempfindlichkeit zu schaffen.
„In der Praxis ist unser Ausgangspunkt ein ziemlich einfacher und üblicher DNA-Biosensortyp – wir haben ein Elektrodensystem, das in die Analytlösung eingetaucht ist, wobei die Sensorelektrode mit einzelsträngigen DNA-Sondensträngen beschichtet ist, die komplementär zu den (einzelsträngigen ) Ziel-DNA-Sequenzen. Sobald der Zielstrang mit dem Sondenstrang bindet und hybridisiert, bewegen sich die elektrischen Ladungen in der Nähe der Elektrode ein wenig, was bedeutet, dass wir eine Änderung des elektrochemischen Signals sehen können“, erklärt Doktorand Petteri Piskunen von der Aalto-Universität der Autoren der Forschung.
„Hier kommen DNA-Origami-Nanostrukturen ins Spiel. Wir haben unser kachelartiges DNA-Origami mit Target-Capture-Strängen ausgestattet, die effizient und selektiv an ein Ende der Zielsequenz binden können, während das andere Ende des Targets an die Sondenstränge bindet. Daher , erstellen wir einen Sandwich-ähnlichen Komplex, bei dem der Zielstrang zwischen der Elektrode und dem DNA-Origami eingeschlossen ist.Anstatt eine kleine Signaländerung bei der Zielbindung zu registrieren, sehen wir dann einen verstärkten Effekt aufgrund des Vorhandenseins von vergleichsweise großes DNA-Origami“, fährt Piskunen fort.
„Wir haben die Machbarkeit unseres Systems demonstriert, indem wir ein Genfragment von Bakterien mit Antibiotikaresistenz nachgewiesen haben. Wir konnten dieses Ziel selektiv aus einer ziemlich komplexen Lösung einfangen, die verschiedene Arten von einzelsträngiger DNA enthielt, von kurzen Strängen und Junk-Fragmenten bis hin zu langen Ringen DNA. Mit unserem Sensor konnten wir 100- bis 1000-mal niedrigere Zielkonzentrationen zuverlässig nachweisen als mit den herkömmlichen Techniken“, sagt Gastwissenschaftlerin Veikko Linko (derzeit außerordentliche Professorin an der Universität Tartu, Estland).
„Es ist ermutigend zu glauben, dass wir durch die Kombination von vielseitigem DNA-Origami mit beispielsweise druckbaren und Einwegelektroden markierungsfreie Sensorplattformen mit einer so hohen Empfindlichkeit und Spezifität schaffen könnten. Dies positioniert unsere Technologie auf dem Weg zur Massenfertigung und breiten Anwendbarkeit als Punkt Im Moment läuft eine Zusammenarbeit mit der University of Strathclyde, um den Sensoraufbau für die Verwendung mit verschiedenen Arten von Biomarkern zu verallgemeinern“, schließt Linko.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Sensoren.
Mehr Informationen:
Paul Williamson et al, Signal Amplification in Electrochemical DNA Biosensors Using Target-Capturing DNA Origami Tiles, ACS-Sensoren (2023). DOI: 10.1021/acssensors.2c02469