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-Oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) Messungen unter Verwendung einer DNA-Origami-Nanoantenne (DONA) kombiniert mit kolokalisierter Atomkraftmikroskopie (AFM) und Raman-Messungen. Die Studie zielt darauf ab, Werkzeuge für die Erkennung einzelner Moleküle und die Überwachung ihres Verhaltens in Echtzeit zu entwickeln.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Biophysik
- Nanotechnologie
Hintergrund
- Oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) liefert chemische Fingerabdrücke von Molekülen.
- DNA-Origami-Strukturen werden verwendet, um Nanopartikel und Zielmoleküle zu positionieren.
- Hotspots zwischen Nanopartikeln verstärken die Raman-Streuung.
- Die Korrelation von AFM- und Raman-Daten ist entscheidend für die Erkennung einzelner Moleküle.
Zweck der Studie
- Einzelne Moleküle wie Farbstoffe oder Proteine in Echtzeit verfolgen.
- Chemische Reaktionen auf einer einzelnen Molekülebene überwachen.
- Medizinisch relevante Biomoleküle mit hoher Empfindlichkeit nachweisen.
Verwendete Methoden
- Herstellung von DNA-Origami-Strukturen und Reinigung.
- Beschichtung von Gold-Nanopartikeln mit thiol-modifizierter DNA.
- Zusammenbau von DNA-Origami-Nanoantennen (DONAs) unter Verwendung von Temperaturgradienten.
- Reinigung von DONAs mittels Agarose-Gel-Elektrophorese.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Herstellung von plasmonischen DNA-Origami-Nanoantennen.
- Nachgewiesene Fähigkeit, einzelne Moleküle in Hotspots zu erkennen.
- Echtzeit-Verfolgung des molekularen Verhaltens und von Reaktionen.
- Potenzielle Anwendungen zur Überwachung chemischer Reaktionen und zum Nachweis von Biomolekülen.
Schlussfolgerungen
- Die entwickelte Methode ermöglicht die präzise Erkennung einzelner Moleküle.
- Korrelierte AFM- und Raman-Daten erhöhen die Zuverlässigkeit der Messungen.
- Diese Technologie hat bedeutende Auswirkungen auf die biochemische Forschung.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Single-molecule SERS enabled by plasmonic DNA origami nanoantennas provides unprecedented chemical specificity at the individual molecule level, addressing a critical gap in mechanistic de-risking and target validation for biopharma R&D. This capability allows for real-time tracking of molecular behavior and reactions, supporting predictive confidence in early discovery and translational research. The approach enhances portfolio decision-making by revealing molecular heterogeneity and reaction mechanisms that remain hidden in bulk analyses.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct interrogation of molecular mechanisms and reaction pathways at single-molecule resolution.
- Supports functional target validation by revealing heterogeneity and rare molecular events.
- Improves predictive confidence for target selection and mechanistic de-risking.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated nanoscale systems for downstream single-molecule assays.
- Enables reproducible placement of analytes in SERS hotspots for quantitative readouts.
- Supports assay standardization and scalability for high-sensitivity compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Allows detection of medically relevant biomolecules with high sensitivity at the single-molecule level.
- Provides continuity from discovery to preclinical validation by tracking molecular responses to environmental changes.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on detailed mechanistic insights.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from early mechanistic studies through lead identification and translational research, providing a reusable platform for single-molecule analytics.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling detection of individual molecular events.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible SERS outputs for reliable comparison of analyte conditions.
- Analytics: Provides high-sensitivity spectroscopic readouts and AFM correlation for robust data interpretation.
- Translational Research: Aligns with biomarker detection and mechanistic studies relevant to disease models.
- Enterprise Reuse: Offers a standardized, scalable platform for diverse molecular targets and applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Delivers reproducible, standardized single-molecule measurements with scalable throughput.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of high-value targets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in DNA nanotechnology, AFM, and Raman spectroscopy.
- Needs access to advanced instrumentation for AFM imaging and SERS measurements.
- Demands rigorous cross-team standardization for reproducible nanoantenna assembly and data correlation.
- Adaptation across different analytes or biomolecules may require protocol optimization.
- Signal-to-noise ratio and hotspot reproducibility are practical considerations for robust implementation.
Biopharma FAQs
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)
