Misurazioni dello scattering Raman potenziato dalla superficie di una singola molecola rese possibili da nanoantenne di origami di DNA plasmonico
21 luglio 2023
Questo protocollo dimostra misurazioni di scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) a singola molecola utilizzando una nanoantenna origami di DNA (DONA) combinata con microscopia a forza atomica colocalizzata (AFM) e misurazioni Raman.
La nostra ricerca mira a sviluppare nuovi strumenti per rilevare singole molecole mediante scattering o sorgente Raman potenziato dalla superficie. Questa è l'unica tecnica che fornisce un'impronta chimica di una molecola ed è abbastanza sensibile da rilevare singole molecole. In questo modo, è possibile ottenere informazioni meccanicistiche dettagliate sulle reazioni chimiche.
Le nanostrutture di origami di DNA sono state utilizzate per posizionare con precisione sia le nanoparticelle plasmoniche che le molecole bersaglio. E questo è necessario perché lo scattering Raman potenziato ha origine da un piccolo volume nanometrico tra le nanoparticelle che chiamiamo punti caldi. E ora abbiamo creato una nuova nanoantenna origami di DNA plasmonico, proprio per questo scopo.
La sfida principale è quella di posizionare le molecole bersaglio in tali punti caldi tra due nanoparticelle e raccogliere dati Raman da esattamente una struttura di nanoantenna. Per raccogliere grandi quantità di dati e correlazione efficiente tra microscopia a forza atomica è necessario eseguire una spettroscopia Raman. Le nanoantenne origami di DNA plasmonico consentono una produzione riproducibile di un gran numero di dimeri plasmonici in cui la molecola bersaglio è posizionata con precisione tra le nanoparticelle nell'hotspot.
E attraverso una correlazione dei dati AFM e Raman, ora possiamo assicurarci che venga rilevata solo una singola molecola. Ora possiamo tracciare singole molecole come molecole di coloranti o proteine in tempo reale, e il loro comportamento nei punti caldi e le loro reazioni ai cambiamenti chimici nell'ambiente. Ad esempio, il cambiamento dello stato di spin di singole molecole umane è stato recentemente monitorato.
In futuro, ci proponiamo di monitorare le reazioni chimiche a livello molecolare e di studiare i loro meccanismi di reazione. Inoltre, possiamo utilizzare questa tecnologia per rilevare biomolecole rilevanti dal punto di vista medico con una sensibilità molto elevata.
Panoramica
Questo protocollo dimostra misurazioni di scattering Raman amplificato da superficie a singola molecola (SERS) utilizzando un'antenna nanostrutturata a origami di DNA (DONA) combinata con misurazioni colocalizzate di microscopia a forza atomica (AFM) e Raman. Lo studio ha come obiettivo lo sviluppo di strumenti per rilevare singole molecole e monitorarne il comportamento in tempo reale.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Neuroscienze
- Biophysica
- Nanotecnologia
Sfondo
- La diffusione Raman amplificata da superficie (SERS) fornisce impronte chimiche delle molecole.
- Le strutture di origami del DNA vengono utilizzate per posizionare nanoparticelle e molecole bersaglio.
- I punti di massima intensità (hotspot) tra le nanoparticelle potenziano la diffusione Raman.
- La correlazione tra dati di microscopia a forza atomica (AFM) e dati Raman è fondamentale per la rilevazione di singole molecole.
Scopo dello studio
- Per tracciare singole molecole come coloranti o proteine in tempo reale.
- Per monitorare reazioni chimiche a livello di singola molecola.
- Per rilevare biomolecole di rilevanza medica con elevata sensibilità.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di strutture in origami di DNA e purificazione.
- Rivestimento di nanoparticelle d'oro con DNA modificato con tiolo.
- Assemblaggio di nanoantenne in origami di DNA (DONA) mediante gradienti di temperatura.
- Purificazione delle DONA mediante elettroforesi in gel di agarosio.
Risultati principali
- Assemblaggio riuscito di nanoantenne a base di origami di DNA plasmonico.
- Capacità dimostrata di rilevare singole molecole nei punti caldi.
- Monitoraggio in tempo reale del comportamento e delle reazioni molecolari.
- Applicazioni potenziali nel monitoraggio di reazioni chimiche e nel rilevamento di biomolecole.
Conclusioni
- Il metodo sviluppato consente la rilevazione precisa di singole molecole.
- Dati AFM e Raman correlati migliorano l'affidabilità delle misurazioni.
- Questa tecnologia ha importanti implicazioni per la ricerca biochimica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Contenuto
La SERS a singola molecola resa possibile da nanoantenne in origami del DNA plasmonico fornisce una specificità chimica senza precedenti a livello di singola molecola, affrontando una lacuna critica nella riduzione del rischio meccanicistica e nella validazione degli obiettivi per la ricerca e sviluppo biofarmaceutica. Questa capacità consente il monitoraggio in tempo reale del comportamento e delle reazioni molecolari, sostenendo la previsione affidabile nella scoperta precoce e nella ricerca traslazionale. L'approccio migliora il processo decisionale sui portafogli rivelando l'eterogeneità molecolare e i meccanismi di reazione che rimangono nascosti nelle analisi su larga scala.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi diretta dei meccanismi molecolari e dei percorsi di reazione a risoluzione di singola molecola.
- Supporta la validazione funzionale delle proteine bersaglio rivelando eterogeneità ed eventi molecolari rari.
- Migliora la sicurezza predittiva nella selezione del bersaglio e nella riduzione dei rischi meccanicistici.
Sviluppo di screening e saggi
- Facilita la preparazione di sistemi nanometrici validati per saggi a livello di singola molecola.
- Permette un posizionamento riproducibile degli analiti nei punti caldi SERS per letture quantitative.
- Supporta la standardizzazione e la scalabilità dei saggi per la valutazione di composti ad alta sensibilità.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Consente la rilevazione di biomolecole clinicamente rilevanti con elevata sensibilità a livello singola molecola.
- Garantisce continuità dalla scoperta alla validazione preclinica monitorando le risposte molecolari ai cambiamenti ambientali.
- Permette decisioni di avanzamento adeguate al rischio basate su approfondite informazioni meccanicistiche.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo si integra nel percorso di scoperta, dalle prime indagini meccanicistiche fino all'identificazione di composti promettenti e alla ricerca traslazionale, fornendo una piattaforma riutilizzabile per l'analisi a livello di singola molecola.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi consentendo il rilevamento di singoli eventi molecolari.
- Screening: Fornisce output SERS quantitativi e riproducibili per un confronto affidabile delle condizioni dell'analita.
- Analisi: Offre letture spettroscopiche ad alta sensibilità e correlazione AFM per un'interpretazione robusta dei dati.
- Ricerca traslazionale: Si allinea al rilevamento di biomarcatori e agli studi meccanicistici rilevanti per i modelli di malattia.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma standardizzata e scalabile per diversi bersagli e applicazioni molecolari.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella validazione del bersaglio.
- Valore operativo: Fornisce misurazioni standardizzate e riproducibili a livello di singola molecola con un throughput scalabile.
- Valore strategico: Permette decisioni informate di prosecuzione o interruzione e riduce i rischi biologici in fase avanzata.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione e la progressione di bersagli ad alto valore, adeguata al rischio.
Considerazioni sull'Implementazione
- Richiede competenze specialistiche in nanotecnologia del DNA, microscopia a forza atomica (AFM) e spettroscopia Raman.
- Necessita dell'accesso a strumentazione avanzata per l'acquisizione di immagini mediante AFM e misurazioni SERS.
- Richiede una rigorosa standardizzazione tra i diversi gruppi di lavoro per l'assemblaggio riproducibile delle nanoantenne e la correlazione dei dati.
- L'adattamento a diversi analiti o biomolecole potrebbe richiedere un'ottimizzazione del protocollo.
- Il rapporto segnale-rumore e la riproducibilità dei punti caldi (hotspot) sono aspetti pratici da considerare per un'implementazione affidabile.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
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)
