DNA Origami schlägt einen Weg zu wiederverwendbaren, multifunktionalen Biosensoren vor

Mit einem Ansatz namens DNA Origami haben Wissenschaftler von Caltech eine Technik entwickelt, die zu billigeren, wiederverwendbaren Biomarker -Sensoren zum schnellen Nachweis von Proteinen in körperlichen Flüssigkeiten führen kann, wodurch die Notwendigkeit der Notwendigkeit der Sendung von Proben an Laborzentren zum Testen entfernt werden muss.

„Unsere Arbeit liefert einen Proof-of-Concept, der einen Weg zu einer einstufigen Methode zeigt, mit der Nukleinsäuren und Proteine ​​identifiziert und gemessen werden können“ Mathematische Wissenschaften sowie Berechnungs- und neuronale Systeme.

Ein Papier, das die Arbeit kürzlich beschreibt erschien in der Zeitschrift Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Die Hauptautoren des Papiers sind ehemaliger Caltech Postdoctoral Scholar Byoung-Jin Jeon und aktueller Doktorandin Matteo M. Guareschi, die die Arbeiten in Rothemunds Labor abgeschlossen haben.

Im Jahr 2006 veröffentlichte Rothemund die Erstes Papier über DNA OrigamiEine Technik, die eine einfache, aber exquisite Kontrolle über das Design molekularer Strukturen im Nanoskala unter Verwendung von nichts weiter als DNA bietet.

Im Wesentlichen ermöglicht DNA Origami lange DNA-Stränge durch Selbstorganisation in jede gewünschte Form. (In der Arbeit von 2006 verwendete Rothemund die Technik berühmt, um Miniatur -DNA -Smiley -Gesichter zu erstellen, die 100 Nanometer über und 2 Nanometer dick messen).

Forscher beginnen mit einem langen DNA -Strang, dem Gerüst, in Lösung. Da die Nukleotidbasen, aus denen DNA auf bekannte Weise bindet .

Diese kurzen, hinzugefügten DNA -Stücke falten das Gerüst und verleihen ihm Form, die als „Grundnahrungsmittel“ wirken, die die Struktur zusammenhalten. Die Technik kann dann verwendet werden, um Formen zu erstellen, die von einer Karte von Nord- und Südamerika bis hin zu nanoskaligen Transistoren reichen.

In der neuen Arbeit verwendeten Rothemund und seine Kollegen DNA-Origami, um eine lilypadartige Struktur zu erzeugen-eine flache, kreisförmige Oberfläche etwa 100 Nanometer im Durchmesser, die von einem DNA-Linker an eine Goldelektrode gebunden wurde. Sowohl das Lilypad als auch die Elektrode haben kurze DNA -Stränge zur Bindung mit einem Analyten, einem Interesse von Interesse an Lösung – ob dies ein Molekül aus DNA, einem Protein oder einem Antikörper ist.

Wenn der Analyte an diese kurzen Stränge bindet, wird das Lilypad auf die Goldoberfläche gezogen, wodurch 70 Reportermoleküle auf das Lilypad (was darauf hinweist, dass das gezielte Molekül vorhanden ist) mit der Goldoberfläche in Kontakt zu treten. Diese Reporter sind Redox -reaktive Moleküle, was bedeutet, dass sie während einer Reaktion leicht Elektronen verlieren können. Wenn sie also eine Elektrode nahe kommen, kann ein elektrischer Strom beobachtet werden. Ein stärkerer Strom zeigt an, dass mehr des Interesses vorhanden ist.

Zuvor wurde ein ähnlicher Ansatz bei der Herstellung von Biosensoren unter Verwendung eines einzelnen DNA -Strangs anstelle einer DNA -Origami -Struktur entwickelt. Diese früheren Arbeiten wurden von Kevin W. Plaxco (Ph.D. ’94) von UC Santa Barbara geleitet, der auch Autor des aktuellen Papiers ist.

Caltechs Guaresschi weist darauf hin, dass der neue Lilypad -Origami im Vergleich zu einem einzelnen DNA -Strang groß ist. „Das bedeutet, dass es 70 Reporter auf ein einzelnes Molekül einstellen und vor der Bindung von der Oberfläche fernhalten kann. Wenn der Analyte gebunden ist und das Lilypad die Elektrode erreicht, gibt es eine große Signalverstärkung, was die Änderung leicht zu erkennen lässt.“ Sagt Guareschi.

Die relativ große Größe des Lilypad -Origami bedeutet auch, dass das System größere Moleküle wie große Proteine ​​leicht aufnehmen und nachweisen kann. In der neuen Arbeit zeigte das Team, dass die beiden kurzen DNA -Stränge am Lilypad und die Goldoberfläche als Adapter verwendet werden konnten, was es zu einem Sensor für Proteine ​​und nicht für DNA macht.

In der Arbeit fügten die Forscher diese kurzen DNA -Stränge das Vitamin -Biotin hinzu, um das System in einen Sensor für das Protein Streptavidin zu verwandeln. Dann fügten sie einen DNA -Aptamer hinzu, einen DNA -Strang, der an ein bestimmtes Protein binden kann; In diesem Fall verwendeten sie ein Aptamer, das an ein Protein bindet, das als mit Blutplättchen abgeleitete Wachstumsfaktor BB (PDGF-BB) bezeichnet wird und zur Diagnose von Krankheiten wie Zirrhose und entzündlicher Darmerkrankung verwendet werden könnte.

„Wir fügen diese einfachen Moleküle einfach zum System hinzu, und es ist bereit, etwas anderes zu spüren“, sagt Guareschi. „Es ist groß genug, um alles zu unterbringen, was Sie darauf werfen – das könnte Aptamere, Nanobodien, Antikörperfragmente sein – und es muss nicht jedes Mal vollständig neu gestaltet werden.“

Die Forscher zeigen auch, dass der Sensor mehrmals wiederverwendet werden kann, wobei neue Adapter jede Runde für unterschiedliche Erkennungen hinzugefügt werden. Obwohl sich die Leistung im Laufe der Zeit leicht verschlechtert, könnte das aktuelle System mindestens viermal wiederverwendet werden.

In Zukunft hofft das Team, dass das System auch für die Proteomik nützlich sein könnte – Studienstudien, die bestimmen, welche Proteine ​​in einer Stichprobe sind und welche Konzentrationen. „Sie könnten mehrere Sensoren gleichzeitig mit verschiedenen Analyten haben, und dann können Sie eine Wäsche durchführen, die Analyten wechseln und neu auferlegen. Und das können Sie mehrmals tun“, sagt Guareschi. „Innerhalb weniger Stunden können Sie Hunderte von Proteinen mit einem einzigen System messen.“

Zusätzliche Autoren des Papiers, „modularer DNA-Origami-basierter elektrochemischer Nachweis von DNA und Proteinen“, sind Jaimie M. Stewart von UCLA; Emily Wu und Ashwin Gopinath vom MIT, Netzahualcóyotl Arroyo-Currás von der Johns Hopkins University School of Medicine, Philippe Dauphin-Ducharme von der Université de Sherbrooke in Kanada; und Philip S. Lukeman von der St. Johns University in New York.