Mesures de diffusion Raman améliorées en surface à molécule unique rendues possibles par des nanoantennes d’origami d’ADN plasmonique
July 21st, 2023
Ce protocole démontre des mesures SERS (surface-enhanced Raman scattering) à molécule unique à l’aide d’une nanoantenne d’origami d’ADN (DONA) combinée à la microscopie à force atomique colocalisée (AFM) et aux mesures Raman.
Notre recherche vise à développer de nouveaux outils pour détecter des molécules uniques par diffusion ou source Raman améliorée en surface. C’est la seule technique qui fournit une empreinte chimique d’une molécule et qui est suffisamment sensible pour détecter des molécules uniques. De cette façon, des informations mécanistes détaillées sur les réactions chimiques peuvent être obtenues.
Les nanostructures d’origami d’ADN ont été utilisées pour positionner avec précision les nanoparticules plasmoniques et les molécules cibles. Et cela est nécessaire parce que la diffusion Raman améliorée provient d’un petit volume nanométrique entre les nanoparticules que nous appelons points chauds. Et nous avons maintenant créé une nouvelle nanoantenne d’origami d’ADN plasmonique, exactement dans ce but.
Le principal défi consiste à placer les molécules cibles dans de tels points chauds entre deux nanoparticules et à collecter des données Raman à partir d’une structure de nanoantenne. Pour collecter de grandes quantités de données et une corrélation efficace entre la microscopie à force atomique, une spectroscopie Raman doit être effectuée. Les nanoantennes d’origami d’ADN plasmonique permettent une production reproductible d’un grand nombre de dimères plasmoniques dans lesquels la molécule cible est positionnée avec précision entre les nanoparticules dans le hotspot.
Et grâce à une corrélation des données AFM et Raman, nous pouvons maintenant nous assurer qu’il n’y a qu’une seule molécule détectée. Maintenant, nous pouvons suivre des molécules uniques telles que des molécules de colorant ou des protéines en temps réel, et leur comportement dans les points chauds et leurs réactions aux changements chimiques dans l’environnement. Par exemple, le changement de l’état de spin de molécules humaines individuelles a récemment été surveillé.
À l’avenir, nous visons à surveiller les réactions chimiques au niveau moléculaire unique et à étudier leurs mécanismes de réaction. De plus, nous pouvons utiliser cette technologie pour détecter des biomolécules médicalement pertinentes avec une très haute sensibilité.
Aperçu
Ce protocole démontre des mesures de diffusion Raman améliorée en surface (SERS) à molécule unique en utilisant une nanoantenne d'origami ADN (DONA) combinée avec une microscopie à force atomique (AFM) et des mesures Raman localisées. L'étude vise à développer des outils pour détecter des molécules uniques et surveiller leur comportement en temps réel.
Composants clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neuroscience
- Biophysique
- Nanotechnologie
Contexte
- La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) fournit des empreintes chimiques des molécules.
- Les structures d'origami ADN sont utilisées pour positionner des nanoparticules et des molécules cibles.
- Les hotspots entre nanoparticules améliorent la diffusion Raman.
- La corrélation des données AFM et Raman est cruciale pour la détection de molécules uniques.
Objectif de l'étude
- Pour suivre des molécules uniques telles que des colorants ou des protéines en temps réel.
- Pour surveiller les réactions chimiques au niveau moléculaire unique.
- Pour détecter des biomolécules médicalement pertinentes avec une haute sensibilité.
Méthodes utilisées
- Préparation des structures d'origami ADN et purification.
- Revêtement de nanoparticules d'or avec de l'ADN modifié par thiol.
- Assemblage de nano antennes d'origami ADN (DONAs) en utilisant des gradients de température.
- Purification des DONAs en utilisant l'électrophorèse sur gel d'agarose.
Résultats principaux
- Assemblage réussi de nano antennes d'origami ADN plasmoniques.
- Capacité démontrée de détection de molécules uniques dans les hotspots.
- Suivi en temps réel du comportement et des réactions moléculaires.
- Applications potentielles dans la surveillance des réactions chimiques et la détection de biomolécules.
Conclusions
- La méthode développée permet une détection précise de molécules uniques.
- Les données AFM et Raman corrélées améliorent la fiabilité des mesures.
- Cette technologie a des implications significatives pour la recherche biochimique.
Questions fréquemment posées
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)
