Optothermische nanopincetten, een innovatieve optische manipulatietechniek van het afgelopen decennium, hebben een revolutie teweeggebracht in de klassieke optische manipulatie door op efficiënte wijze een breder spectrum aan nanodeeltjes vast te leggen. Hoewel deze techniek voornamelijk is gebruikt voor in-situ manipulatie van nanodeeltjes, blijft het potentieel ervan voor het identificeren van bio-nanodeeltjes grotendeels onontgonnen.

Hierin ontwikkelden auteurs, gebaseerd op de synergetische effecten van optothermische manipulatie en op CRIPSR gebaseerde biodetectie, CRISPR-aangedreven optothermale nanotweezers (CRONT). Door difusioforese en thermo-osmotische stromingen nabij het substraat te benutten bij optothermale excitatie hebben auteurs met succes bio-nanodeeltjes gevangen en verrijkt, waaronder gouden nanodeeltjes, CRISPR-geassocieerde eiwitten en DNA-moleculen.

In een recente publicatie gepubliceerd in Light:Science &Applications heeft een team van wetenschappers onder leiding van professor Jiajie Chen, Zhi Chen, Zhang Han en Yonghong Shao van de Universiteit van Shenzhen, samen met hun medewerkers, professor Ho-Pui Ho van de Chinese Universiteit van Hong Kong, een optothermische aanpak bedacht voor het verbeteren van op CRISPR gebaseerde detectie van single-nucleotide polymorphism (SNP) om het niveau van één molecuul te bereiken.

Bovendien hebben ze een nieuwe CRISPR-methodologie geïntroduceerd voor het observeren van nucleotidesplitsing. Bovendien heeft deze innovatieve aanpak optische pincetten voorzien van DNA-identificatievermogen in waterige oplossing, wat voorheen onbereikbaar was. Gezien zijn opmerkelijke specificiteit en haalbaarheid voor in-situ manipulatie en identificatie van bio-nanodeeltjes, staat het klaar om een ​​universeel hulpmiddel te worden in point-of-care-diagnose, biofotonica en bio-nanotechnologie.

De CRONT kan voortreffelijk worden afgestemd om bio-nanodeeltjes te manipuleren en te voldoen aan de werkomstandigheden van op CRISPR gebaseerde identificatie van bio-nanodeeltjes. Door het incorporeren van optothermisch geïnduceerde diffusioforetische kracht hebben auteurs met succes bio-nanodeeltjes gemanipuleerd, waaronder ssDNA, dsDNA, BSA, Cas12a-eiwit en DNA-gefunctionaliseerde gouden nanodeeltjes.

Door een op CRISPR gebaseerde DNA-biosensoren-aanpak te integreren, waarbij de splitsing van een enkel gevangen DNA@Gold-nanodeeltje-conjugaat wordt ondervraagd, hebben auteurs dit optothermische pincet omgebouwd tot een moleculaire sonde voor de in-situ DNA-moleculen (SARS-CoV-2 of Monkeypox) identificatie zonder nucleïnezuuramplificatie en behaalde detectielimieten van 25 aM voor ssDNA en 250 aM voor dsDNA.

Opmerkelijk genoeg hebben ze aangetoond dat deze nanopincetten identificatie van single nucleotide polymorphisms (SNPs) mogelijk maken bij ultra-lagere detectievolumes (10 μl), die een cruciale rol spelen in de genetische diversiteit en geassocieerd zijn met verschillende fenotypische kenmerken, waaronder ziektegevoeligheid en medicijnrespons. Daarom is deze innovatie in SNP-detectietechnieken essentieel om in de toekomst tegemoet te komen aan de uiteenlopende eisen van genomisch onderzoek en medische toepassingen.

Deze auteurs vatten het werk en de visie van de CRONT als volgt samen:

"CRONT heeft de onmiddellijke implementatie van op CRISPR gebaseerde biosensoren mogelijk gemaakt binnen een ultralaag detectievolume. Optische pincetten zijn nu uitgerust met DNA-identificatiemogelijkheden via het op CRISPR gebaseerde biosensorensysteem. De gelokaliseerde verwarmingseigenschappen van CRONT hebben niet alleen een mogelijkheid geboden voor biomoleculen verrijking, maar ook een noodzakelijke thermische omgeving voor de splitsing van het CRISPR-complex."

"Verdere ontwikkeling van dit optothermische gebaseerde CRISPR-biodetectieschema kan het gebruik van een reeks laserverwarmingspunten voor parallelle detectie met hoge doorvoer met zich meebrengen, waardoor de techniek geschikter wordt voor kwantitatieve detectie en de detectietijd aanzienlijk wordt verkort. CRONT kan dat ook zijn gebruikt om het CRIPSR/Cas-complex naar het doel-DNA te leiden en het genbewerkingsproces te initiëren. Het stelt de onderzoekers ook in staat om het genbewerkingsproces in realtime op het niveau van één molecuul te volgen,' voegde ze eraan toe.

"We verwachten dat dergelijke contactloze nanosondes zullen bijdragen aan een dieper begrip van verschillende complexe biologische processen, en hoge optische, thermische en biologische overeenkomsten op het niveau van afzonderlijke deeltjes."

Meer informatie: Jiajie Chen et al, CRISPR-aangedreven optothermische nanopincetten:diverse manipulatie van bio-nanodeeltjes en identificatie van afzonderlijke nucleotiden, Licht:wetenschap en toepassingen (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01326-9

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen