Einzelmolekül-oberflächenverstärkte Raman-Streuungsmessungen durch plasmonische DNA-Origami-Nanoantennen ermöglicht
21. Juli 2023
Dieses Protokoll demonstriert Einzelmolekül-Messungen der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) unter Verwendung einer DNA-Origami-Nanoantenne (DONA) in Kombination mit kolokalisierter Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Raman-Messungen.
Unsere Forschung zielt darauf ab, neue Werkzeuge zu entwickeln, um einzelne Moleküle durch oberflächenverstärkte Raman-Streuung oder -Quelle zu detektieren. Dies ist die einzige Technik, die einen chemischen Fingerabdruck eines Moleküls liefert und empfindlich genug ist, um einzelne Moleküle zu erkennen. Auf diese Weise können detaillierte mechanistische Informationen über chemische Reaktionen gewonnen werden.
DNA-Origami-Nanostrukturen wurden verwendet, um sowohl plasmonische Nanopartikel als auch Zielmoleküle präzise zu positionieren. Und das ist notwendig, weil die verstärkte Raman-Streuung von einem kleinen nanometrischen Volumen zwischen den Nanopartikeln ausgeht, die wir Hotspots nennen. Und genau für diesen Zweck haben wir jetzt eine neue plasmonische DNA-Origami-Nanoantenne entwickelt.
Die größte Herausforderung besteht darin, Zielmoleküle in solchen Hotspots zwischen zwei Nanopartikeln zu platzieren und Raman-Daten von genau einer Nanoantennenstruktur zu sammeln. Um große Datenmengen zu sammeln und eine effiziente Korrelation zwischen der Rasterkraftmikroskopie durchzuführen, muss eine Raman-Spektroskopie durchgeführt werden. Die plasmonischen DNA-Origami-Nanoantennen ermöglichen eine reproduzierbare Herstellung einer großen Anzahl plasmonischer Dimere, bei denen das Zielmolekül präzise zwischen den Nanopartikeln im Hotspot positioniert ist.
Und durch eine Korrelation der AFM- und Raman-Daten können wir jetzt sicherstellen, dass nur ein einziges Molekül nachgewiesen wird. Jetzt können wir einzelne Moleküle wie Farbstoffmoleküle oder Proteine in Echtzeit verfolgen, wie sie sich in den Hotspots verhalten und wie sie auf chemische Veränderungen in der Umgebung reagieren. So wurde kürzlich beispielsweise die Veränderung des Spin-Zustands einzelner menschlicher Moleküle beobachtet.
In Zukunft wollen wir chemische Reaktionen auf der Ebene einzelner Moleküle beobachten und ihre Reaktionsmechanismen untersuchen. Darüber hinaus können wir mit dieser Technologie medizinisch relevante Biomoleküle mit sehr hoher Sensitivität nachweisen.
Übersicht
Dieses Protokoll demonstriert Einzelmolekül-Messungen der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) unter Verwendung einer DNA-Origami-Nanoantenne (DONA) in Kombination mit kolokalisierten Messungen der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Raman-Spektroskopie. Die Studie zielt darauf ab, Methoden zur Detektion einzelner Moleküle und deren Echtzeit-Überwachung ihres Verhaltens zu entwickeln.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Biophysik
- Nanotechnologie
Hintergrund
- Die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) liefert chemische Fingerabdrücke von Molekülen.
- DNA-Origami-Strukturen dienen der gezielten Positionierung von Nanopartikeln und Analytmolekülen.
- Hotspots zwischen Nanopartikeln verstärken die Raman-Streuung.
- Die Korrelation von AFM- und Raman-Daten ist entscheidend für die Einzelmolekül-Detektion.
Zweck der Studie
- Verfolgung einzelner Moleküle wie Farbstoffe oder Proteine in Echtzeit.
- Überwachung chemischer Reaktionen auf einzelner Molekülebene.
- Nachweis medizinisch relevanter Biomoleküle mit hoher Empfindlichkeit.
Verwendete Methoden
- Herstellung von DNA-Origami-Strukturen und Reinigung.
- Beschichtung von Gold-Nanopartikeln mit thiolmodifizierter DNA.
- Assembly von DNA-Origami-Nanoantennen (DONAs) unter Verwendung von Temperaturgradienten.
- Reinigung von DONAs mittels Agarose-Gelelektrophorese.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Herstellung plasmonischer DNA-Origami-Nanoantennen.
- Nachgewiesene Fähigkeit, Einzelmoleküle in Hotspots zu detektieren.
- Echtzeit-Verfolgung molekularen Verhaltens und von Reaktionen.
- Potentielle Anwendungen bei der Überwachung chemischer Reaktionen und der Detektion von Biomolekülen.
Schlussfolgerungen
- Die entwickelte Methode ermöglicht die präzise Detektion einzelner Moleküle.
- Korrelierte AFM- und Raman-Daten erhöhen die Zuverlässigkeit der Messungen.
- Diese Technologie hat bedeutende Implikationen für die biochemische Forschung.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Mittels plasmonischer DNA-Origami-Nanoantennen ermöglicht die Einzelmolekül-SERS-Technik eine beispiellose chemische Spezifität auf Ebene einzelner Moleküle und schließt damit eine entscheidende Lücke bei der mechanistischen Entwicklungsrisikominimierung und Zielstrukturvalidierung in der biopharmazeutischen Forschung und Entwicklung. Diese Fähigkeit erlaubt die Echtzeitverfolgung molekularen Verhaltens und von Reaktionen und stärkt so das Vorhersagevertrauen in der frühen Entdeckungsforschung und translationalen Forschung. Der Ansatz verbessert die Portfolio-Entscheidungsfindung, indem er molekulare Heterogenität und Reaktionsmechanismen aufdeckt, die in Ensemble-Analysen verborgen bleiben.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die direkte Untersuchung molekularer Mechanismen und Reaktionswege mit Einzelmolekül-Auflösung.
- Unterstützt die funktionelle Zielvalidierung, indem Heterogenität und seltene molekulare Ereignisse aufgedeckt werden.
- Erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Zielwahl und der Absicherung mechanistischer Risiken.
Screening und Assay-Entwicklung
- Erleichtert die Herstellung validierter nanoskaliger Systeme für nachgeschaltete Einzelmolekül-Analysen.
- Ermöglicht die reproduzierbare Platzierung von Analyten in SERS-Hotspots für quantitative Auswertungen.
- Unterstützt die Standardisierung und Skalierbarkeit von Assays zur Bewertung von Verbindungen mit hoher Empfindlichkeit.
Translationale und präklinische Forschung
- Ermöglicht den empfindlichen Nachweis medizinisch relevanter Biomoleküle auf Einzelmolekülebene.
- Bietet Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung, indem molekulare Reaktionen auf Umweltveränderungen verfolgt werden.
- Ermöglicht risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung basierend auf detaillierten mechanistischen Erkenntnissen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese Methode integriert sich in die Entdeckungskette von frühen mechanistischen Studien über die Identifizierung von Wirkstoffkandidaten bis hin zur translationsmedizinischen Forschung und bietet eine wiederverwendbare Plattform für Einzelmolekül-Analysen.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung und Klärung von Signalwegen, indem sie den Nachweis einzelner molekularer Ereignisse ermöglicht.
- Screening: Liefert quantitative, reproduzierbare SERS-Ergebnisse für einen zuverlässigen Vergleich von Analytenbedingungen.
- Analytik: Bietet empfindliche spektroskopische Auslesewerte und AFM-Korrelation zur robusten Dateninterpretation.
- Translationale Forschung: Ermöglicht die Detektion von Biomarkern und mechanistische Untersuchungen im Zusammenhang mit Krankheitsmodellen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine standardisierte, skalierbare Plattform für vielfältige molekulare Zielstrukturen und Anwendungen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten bei der Target-Validierung.
- Operationaler Wert: Liefert reproduzierbare, standardisierte Einzelmolekül-Messungen mit skalierbarer Durchsatzleistung.
- Strategischer Wert: Ermöglicht fundierte Go/No-Go-Entscheidungen und reduziert biologische Risiken in späteren Entwicklungsstadien.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung hochwertiger Targets.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der DNA-Nanotechnologie, der AFM und der Raman-Spektroskopie.
- Benötigt Zugang zu fortgeschrittener Messtechnik für AFM-Aufnahmen und SERS-Messungen.
- Erfordert eine strenge, übergreifende Standardisierung zwischen den Arbeitsgruppen, um reproduzierbare Nanoantennen-Herstellung und Datenkorrelation zu gewährleisten.
- Die Anpassung an verschiedene Analyten oder Biomoleküle kann eine Optimierung des Protokolls erfordern.
- Das Signal-Rausch-Verhältnis und die Reproduzierbarkeit der Hotspots sind praktische Aspekte für eine robuste Anwendung.
Biopharma-Häufige Fragen
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:54
DNA Origami Fork Assembly for DNA Origami Nanoantenna (DONA)
4:09
DNA Coating of Gold nanoparticle (AuNP) for DNA Origami Nanoantenna (DONA)
6:17
DNA Origami Nanoantenna (DONA) Assembly and Gel Electrophoresis
8:33
Colocalization of AFM and Raman Measurements on DNA Origami Nanoantenna (DONA)
