De nieuwste vooruitgang in solid-state nanoporiënsensoren - apparaten die zijn gemaakt met standaardinstrumenten van de halfgeleiderindustrie en toch een gevoeligheid voor één molecuul kunnen bieden voor labelvrije eiwitscreening - breidt hun trucs uit door middel van bionanotechnologie. Onderzoekers van de Technische Universitaet Muenchen hebben de mogelijkheden van solid-state nanoporiën verbeterd door ze te voorzien van afdekplaten van DNA. Deze afdekplaten op nanoschaal, met centrale openingen afgestemd op verschillende "poortwachters"-functies, worden gevormd door zogenaamde DNA-origami - de kunst van het programmeren van DNA-strengen om te vouwen tot op maat ontworpen structuren met gespecificeerde chemische eigenschappen.

De resultaten zijn gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie .

De afgelopen jaren is De onderzoeksgroep van prof. Hendrik Dietz aan de TUM heeft de controle over DNA-origamitechnieken verfijnd en gedemonstreerd hoe op deze manier gemaakte structuren wetenschappelijk onderzoek op diverse gebieden mogelijk kunnen maken. In de tussentijd, De onderzoeksgroep van Dr. Ulrich Rant heeft hetzelfde gedaan voor solid-state nanoporiënsensoren, waar het fundamentele werkingsprincipe is om biomoleculen van belang aan te sporen, een per keer, door een gat op nanometerschaal in een dunne plaat halfgeleidermateriaal. Wanneer biomoleculen door zo'n sensor gaan of erin blijven hangen, minieme veranderingen in elektrische stroom die door de nanoporiën vloeien, vertalen zich in informatie over hun identiteit en fysieke eigenschappen. Nu Dietz en Rant, die beide Fellows zijn van het TUM Institute for Advanced Study, zijn begonnen te onderzoeken wat deze twee technologieën samen kunnen bereiken.

Het nieuwe apparaatconcept - puur hypothetisch vóór deze reeks experimenten - begint met de plaatsing van een DNA-origami "nanoplaat" over het smalle uiteinde van een conisch taps toelopende nanoporie in vaste toestand. Het "afstemmen" van de grootte van de centrale opening in de DNA-nanoplaat zou het filteren van moleculen op grootte mogelijk moeten maken. Een verdere verfijning, het plaatsen van enkelstrengs DNA-receptoren in de opening als "aas, " moet sequentiespecifieke detectie van 'prooi'-moleculen mogelijk maken. Denkbare toepassingen zijn onder meer biomoleculaire interactieschermen en detectie van DNA-sequenties. zo'n apparaat zou zelfs als basis kunnen dienen voor een nieuw DNA-sequencingsysteem.

Stap voor stap, de onderzoekers onderzochten elk van deze ideeën. Ze konden de zelfassemblage van op maat ontworpen DNA-origami-nanoplaten bevestigen, en vervolgens hun plaatsing - na elektrisch in positie te zijn geleid - over nanoporiën in vaste toestand. Ze waren in staat om zowel op grootte gebaseerde filtering van biomoleculen als detectie van lokaas/prooi van specifieke doelmoleculen aan te tonen. "We zijn vooral enthousiast over het selectieve potentieel van de aas/prooi-benadering van detectie van één molecuul, "Dietz zegt, "omdat veel verschillende chemische componenten naast DNA aan de juiste plaats op een DNA-nanoplaat kunnen worden bevestigd."

Detectietoepassingen met hoge resolutie, zoals DNA-sequencing, zullen met enkele extra hindernissen te maken krijgen, echter, zoals Rant uitlegt:"Door het ontwerp, de nanoporiën en hun DNA-origami-poortwachters laten kleine ionen door. Voor enkele denkbare toepassingen, dat wordt een ongewenste lekstroom die zou moeten worden verminderd, samen met de omvang van de huidige fluctuaties."