Mediciones de dispersión Raman mejoradas en superficie de una sola molécula habilitadas por nanoantenas de origami de ADN plasmónico
21 de julio de 2023
Este protocolo demuestra mediciones de dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) de una sola molécula utilizando una nanoantena de origami de ADN (DONA) combinada con microscopía de fuerza atómica colocalizada (AFM) y mediciones Raman.
Nuestra investigación tiene como objetivo desarrollar nuevas herramientas para detectar moléculas individuales mediante dispersión o fuente Raman mejorada en superficie. Esta es la única técnica que proporciona una huella química de una molécula y es lo suficientemente sensible como para detectar moléculas individuales. De esta manera, se puede obtener información mecanicista detallada sobre las reacciones químicas.
Las nanoestructuras de origami de ADN se han utilizado para posicionar con precisión tanto las nanopartículas plasmónicas como las moléculas objetivo. Y esto es necesario porque la dispersión Raman mejorada se origina a partir de un pequeño volumen nanométrico entre las nanopartículas que llamamos puntos calientes. Y ahora hemos creado una nueva nanoantena de origami de ADN plasmónico, exactamente para este propósito.
El principal desafío es colocar moléculas objetivo en tales puntos calientes entre dos nanopartículas y recopilar datos Raman de exactamente una estructura de nanoantena. Para recopilar grandes cantidades de datos y una correlación eficiente entre la microscopía de fuerza atómica, se debe realizar una espectroscopia Raman. Las nanoantenas de origami de ADN plasmónico permiten una producción reproducible de un gran número de dímeros plasmónicos en los que la molécula objetivo se coloca con precisión entre las nanopartículas en el punto caliente.
Y a través de una correlación de los datos de AFM y Raman, ahora podemos asegurarnos de que solo se detecte una molécula. Ahora podemos rastrear moléculas individuales como moléculas de colorante o proteínas en tiempo real, y su comportamiento en los puntos calientes y sus reacciones a los cambios químicos en el medio ambiente. Por ejemplo, el cambio del estado de giro de moléculas humanas individuales fue monitoreado recientemente.
En el futuro, nuestro objetivo es monitorear las reacciones químicas a nivel molecular único y estudiar sus mecanismos de reacción. Además, podemos utilizar esta tecnología para detectar biomoléculas médicamente relevantes con una sensibilidad muy alta.
Resumen
Este protocolo demuestra mediciones de dispersión Raman mejorada por superficie (SERS) a nivel de molécula individual utilizando una nanoantena de origami de ADN (DONA) combinada con mediciones colocalizadas de microscopía de fuerza atómica (AFM) y espectroscopía Raman. El estudio tiene como objetivo desarrollar herramientas para detectar moléculas individuales y monitorear su comportamiento en tiempo real.
Componentes Clave del Estudio
Área de la Ciencia
- Neurociencia
- biofísica
- nanotecnología
Antecedentes
- La dispersión Raman aumentada en superficie (SERS) proporciona huellas químicas de las moléculas.
- Las estructuras de origami de ADN se utilizan para posicionar nanopartículas y moléculas diana.
- Los puntos calientes entre las nanopartículas aumentan la dispersión Raman.
- La correlación de datos de AFM y Raman es fundamental para la detección de moléculas individuales.
Objetivo del estudio
- Para rastrear moléculas individuales, como colorantes o proteínas, en tiempo real.
- Para monitorear reacciones químicas a nivel molecular individual.
- Para detectar biomoléculas de relevancia médica con alta sensibilidad.
Métodos Utilizados
- Preparación de estructuras de origami de ADN y purificación.
- Recubrimiento de nanopartículas de oro con ADN modificado con tiol.
- Ensamblaje de antenas nano de origami de ADN (DONAs) utilizando gradientes de temperatura.
- Purificación de DONAs mediante electroforesis en gel de agarosa.
Resultados Principales
- Ensamblaje exitoso de nanoantenas de origami de ADN plasmónicas.
- Capacidad demostrada para detectar moléculas individuales en puntos calientes.
- Seguimiento en tiempo real del comportamiento y reacciones moleculares.
- Aplicaciones potenciales en el monitoreo de reacciones químicas y la detección de biomoléculas.
Conclusiones
- El método desarrollado permite la detección precisa de moléculas individuales.
- Los datos correlacionados de AFM y Raman mejoran la fiabilidad de las mediciones.
- Esta tecnología tiene implicaciones significativas para la investigación bioquímica.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La técnica SERS a nivel de molécula individual, posibilitada por nanoantenas de origami de ADN plasmónicas, proporciona una especificidad química sin precedentes a nivel de molécula individual, abordando una brecha crítica en la desactivación de riesgos mecanicistas y la validación de dianas en la I+D de biofármacos. Esta capacidad permite el seguimiento en tiempo real del comportamiento molecular y de las reacciones, respaldando la confianza predictiva en las fases iniciales del descubrimiento y la investigación traslacional. El enfoque mejora la toma de decisiones en carteras al revelar la heterogeneidad molecular y los mecanismos de reacción que permanecen ocultos en los análisis en conjunto.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la interrogación directa de mecanismos moleculares y rutas de reacción a resolución de molécula individual.
- Apoya la validación funcional de dianas al revelar heterogeneidad y eventos moleculares raros.
- Mejora la confianza predictiva en la selección de dianas y la reducción de riesgos mecanicistas.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Facilita la preparación de sistemas nanométricos validados para ensayos de molécula individual posteriores.
- Permite la colocación reproducible de analitos en puntos calientes de SERS para lecturas cuantitativas.
- Apoya la estandarización y escalabilidad de ensayos para la evaluación de compuestos con alta sensibilidad.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Permite la detección de biomoléculas médicamente relevantes con alta sensibilidad a nivel de molécula individual.
- Proporciona continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica mediante el seguimiento de las respuestas moleculares a cambios ambientales.
- Posibilita decisiones de avance ajustadas al riesgo basadas en conocimientos mecanicistas detallados.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
Este método se integra en la continuidad del descubrimiento, desde estudios mecanicistas iniciales hasta la identificación de compuestos prometedores y la investigación traslacional, proporcionando una plataforma reutilizable para análisis de molécula individual.
- Biología de Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis y la aclaración de vías al permitir la detección de eventos moleculares individuales.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos y reproducibles de espectroscopía de dispersión Raman mejorada por superficie (SERS) para la comparación fiable de condiciones del analito.
- Análisis: Ofrece lecturas espectroscópicas de alta sensibilidad y correlación con microscopía de fuerza atómica (AFM) para una interpretación robusta de los datos.
- Investigación Traductiva: Se alinea con la detección de biomarcadores y estudios mecanicistas relevantes para modelos de enfermedades.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma estandarizada y escalable para diversos objetivos y aplicaciones moleculares.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la validación de objetivos.
- Valor operativo: Proporciona mediciones estandarizadas y reproducibles a nivel de molécula individual con capacidad de procesamiento escalable.
- Valor estratégico: Permite tomar decisiones informadas de avance o interrupción del proyecto y reduce el riesgo biológico en fases avanzadas.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización y el avance ajustados al riesgo de objetivos de alto valor.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en nanotecnología del ADN, microscopía de fuerza atómica (AFM) y espectroscopía Raman.
- Necesita acceso a instrumentación avanzada para imágenes de AFM y mediciones de SERS.
- Exige una estandarización rigurosa entre equipos para lograr un ensamblaje reproducible de nanoantenas y una correlación confiable de los datos.
- La adaptación a diferentes analitos o biomoléculas puede requerir la optimización del protocolo.
- La relación señal-ruido y la reproducibilidad de los puntos calientes son consideraciones prácticas para una implementación robusta.
Preguntas frecuentes sobre biofármacos
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)
