Eenvoudige aanpassing van biosensoren met koolstofnanobuisjes

Het team gebruikte buisvormige nanosensoren die waren gemaakt van koolstof en een diameter hadden van minder dan één nanometer. Wanneer ze worden bestraald met zichtbaar licht, zenden koolstofnanobuisjes licht uit in het nabij-infrarode bereik. Nabij-infraroodlicht is niet zichtbaar voor het menselijk oog. Het is echter perfect voor optische toepassingen, omdat het niveau van andere signalen in dit bereik sterk wordt verminderd.

In eerdere onderzoeken had het team van Sebastian Kruss al laten zien hoe de fluorescentie van nanobuisjes kan worden gemanipuleerd om vitale biomoleculen te detecteren. Nu zochten de onderzoekers naar een manier om de koolstofsensoren op een eenvoudige manier aan te passen voor gebruik met verschillende doelmoleculen.

De sleutel tot succes waren DNA-structuren met zogenaamde guanine-kwantumdefecten. Dit omvatte het koppelen van DNA-basen aan het nanobuisje om een ​​defect in de kristalstructuur van het nanobuisje te creëren. Als gevolg hiervan veranderde de fluorescentie van de nanobuisjes op kwantumniveau. Bovendien fungeerde het defect als een moleculair handvat waarmee een detectie-eenheid kon worden geïntroduceerd, die kan worden aangepast aan het betreffende doelmolecuul met als doel een specifiek viraal of bacterieel eiwit te identificeren.

“Door de bevestiging van de detectie-eenheid aan de DNA-ankers lijkt de montage van zo’n sensor op een systeem van bouwstenen – alleen zijn de afzonderlijke onderdelen 100.000 keer kleiner dan een mensenhaar”, zegt Sebastian Kruss.

Sensor identificeert verschillende bacteriële en virale doelwitten

De groep presenteerde het nieuwe sensorconcept met het SARS CoV-2-spike-eiwit als voorbeeld. Hiervoor gebruikten de onderzoekers aptameren, die binden aan het SARS CoV-2-spike-eiwit. “Aptameren zijn gevouwen DNA- of RNA-strengen. Door hun structuur kunnen ze selectief aan eiwitten binden”, legt Justus Metternich uit. "In de volgende stap zou men het concept kunnen overbrengen naar antilichamen of andere detectie-eenheden."

De fluorescentiesensoren gaven met een hoge mate van betrouwbaarheid de aanwezigheid van het SARS-CoV-2-eiwit aan. De selectiviteit van sensoren met guanine-kwantumdefecten was hoger dan de selectiviteit van sensoren zonder dergelijke defecten. Bovendien waren de sensoren met guanine-kwantumdefecten stabieler in oplossing.

"Dit is een voordeel als je aan metingen denkt die verder gaan dan eenvoudige waterige oplossingen. Voor diagnostische toepassingen moeten we meten in complexe omgevingen, bijvoorbeeld met cellen, in het bloed of in het organisme zelf", zegt Sebastian Kruss, hoofd van de Functional Interfaces en Biosystems Group aan de Ruhr Universiteit Bochum en is lid van de Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) en de International Graduate School of Neuroscience.

Meer informatie: Justus T. Metternich et al, Near-Infrared Fluorescent Biosensors Based on Covalent DNA Anchors, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03336

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door Ruhr-Universitaet-Bochum