Optothermale Nanopinzetten, eine innovative optische Manipulationstechnik im letzten Jahrzehnt, haben die klassische optische Manipulation revolutioniert, indem sie ein breiteres Spektrum von Nanopartikeln effizient erfassen. Während diese Technik hauptsächlich zur In-situ-Manipulation von Nanopartikeln eingesetzt wird, ist ihr Potenzial zur Identifizierung von Bio-Nanopartikeln noch weitgehend unerforscht.
Basierend auf den synergistischen Effekten der optothermischen Manipulation und der CRIPSR-basierten Biodetektion entwickelten die Autoren hier CRISPR-betriebene optothermale Nanopinzetten (CRONT). Insbesondere durch die Nutzung von Diffusionsiophorese und thermoosmotischen Strömungen in der Nähe des Substrats bei optothermer Anregung gelang es den Autoren, Bio-Nanopartikel, darunter Gold-Nanopartikel, CRISPR-assoziierte Proteine sowie DNA-Moleküle, erfolgreich einzufangen und anzureichern.
In einer kürzlich veröffentlichten Veröffentlichung in Licht: Wissenschaft und Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Jiajie Chen, Zhi Chen, Zhang Han und Yonghong Shao von der Universität Shenzhen zusammen mit ihren Mitarbeitern, Professor Ho-Pui Ho von der Chinesischen Universität Hongkong, einen optothermischen Ansatz zur Verbesserung von CRISPR entwickelt Nachweis des Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP), um die Ebene einzelner Moleküle zu erreichen.
Darüber hinaus haben sie eine neuartige CRISPR-Methode zur Beobachtung der Nukleotidspaltung eingeführt. Darüber hinaus hat dieser innovative Ansatz optische Pinzetten mit der Fähigkeit ausgestattet, DNA in wässriger Lösung zu identifizieren, was zuvor unerreichbar war. Aufgrund seiner bemerkenswerten Spezifität und Durchführbarkeit für die In-situ-Manipulation und Identifizierung von Bio-Nanopartikeln ist es auf dem besten Weg, ein universelles Werkzeug in der Point-of-Care-Diagnose, Biophotonik und Bio-Nanotechnologie zu werden.
Der CRONT kann hervorragend auf die Manipulation von Bio-Nanopartikeln abgestimmt werden und erfüllt die Arbeitsbedingungen der CRISPR-basierten Ziel-Bio-Nanopartikel-Identifizierung. Insbesondere durch die Einbeziehung optothermisch induzierter diffusiophoretischer Kräfte haben die Autoren erfolgreich Bio-Nanopartikel manipuliert, darunter ssDNA, dsDNA, BSA, Cas12a-Protein und DNA-funktionalisierte Goldnanopartikel.
Durch die Integration eines CRISPR-basierten DNA-Biosensor-Ansatzes, bei dem die Spaltung eines einzelnen eingeschlossenen DNA@Gold-Nanopartikel-Konjugats untersucht wird, verwandelten die Autoren diese optotherme Pinzette in eine molekulare Sonde für die in situ DNA-Moleküle (SARS-CoV-2 oder Monkeypox)-Identifizierung ohne Nukleinsäureamplifikation und erreichte Nachweisgrenzen von 25 aM für ssDNA und 250 aM für dsDNA.
Bemerkenswerterweise haben sie gezeigt, dass diese Nanopinzetten die Identifizierung von Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) bei extrem geringen Nachweisvolumina (10 μl) ermöglichen, die eine entscheidende Rolle für die genetische Vielfalt spielen und mit verschiedenen phänotypischen Merkmalen verbunden sind, darunter Krankheitsanfälligkeit und Arzneimittelreaktion. Daher ist diese Innovation in den SNP-Nachweistechniken von entscheidender Bedeutung, um den vielfältigen Anforderungen der Genomforschung und medizinischen Anwendungen in der Zukunft gerecht zu werden.
Diese Autoren fassten die Arbeit und den Ausblick des CRONT wie folgt zusammen:
„CRONT hat die sofortige Implementierung der CRISPR-basierten Biosensorik in einem extrem geringen Detektionsvolumen ermöglicht. Optische Pinzetten sind jetzt durch das CRISPR-basierte Biosensorsystem mit der Fähigkeit zur DNA-Identifizierung ausgestattet. Die lokalisierten Erwärmungseigenschaften von CRONT haben nicht nur einen Weg für Biomoleküle eröffnet Anreicherung, aber auch eine notwendige thermische Umgebung für die Spaltung des CRISPR-Komplexes.“
„Die Weiterentwicklung dieses auf Optothermie basierenden CRISPR-Biodetektionsschemas könnte die Verwendung einer Reihe von Laserheizpunkten für die parallele Hochdurchsatzdetektion beinhalten, wodurch die Technik besser für die quantitative Detektion geeignet ist und die Detektionszeit erheblich verkürzt wird. CRONT könnte dies auch sein.“ „Wird eingesetzt, um den CRIPSR/Cas-Komplex zur Ziel-DNA zu leiten und den Gen-Editierungsprozess einzuleiten. Es ermöglicht den Forschern außerdem, den Gen-Editierungsprozess in Echtzeit auf Einzelmolekülebene zu überwachen“, fügten sie hinzu.
„Wir gehen davon aus, dass solche berührungslosen Nanosonden zu einem tieferen Verständnis verschiedener komplexer biologischer Prozesse beitragen und optische, thermische und biologische Ähnlichkeiten auf Einzelpartikelebene hervorheben werden.“
Mehr Informationen:
Jiajie Chen et al., CRISPR-betriebene optotherme Nanopinzetten: Diverse Manipulation von Bio-Nanopartikeln und Identifizierung einzelner Nukleotide, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01326-9