Mesures de diffusion Raman améliorées en surface à molécule unique rendues possibles par des nanoantennes d’origami d’ADN plasmonique
21 juillet 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 décrit des mesures de diffusion Raman améliorée par surface (SERS) à l'échelle de la molécule unique, utilisant une nanoantenne en origami d'ADN (DONA) combinée à des mesures de microscopie à force atomique (AFM) et de diffusion Raman colocalisées. L'étude vise à développer des outils permettant la détection de molécules individuelles et le suivi de leur comportement en temps réel.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Biophysique
- Nanotechnologie
Contexte
- La diffusion Raman améliorée par surface (SERS) fournit des empreintes chimiques des molécules.
- Les structures en origami d'ADN servent à positionner les nanoparticules et les molécules cibles.
- Les points chauds entre les nanoparticules amplifient la diffusion Raman.
- La corrélation des données de microscopie à force atomique (AFM) et de spectroscopie Raman est essentielle à la détection de molécules uniques.
Objectif de l'étude
- Suivre en temps réel des molécules uniques telles que des colorants ou des protéines.
- Surveiller des réactions chimiques au niveau d'une seule molécule.
- Détecter des biomolécules d'intérêt médical avec une grande sensibilité.
Méthodes utilisées
- Préparation des structures en origami d'ADN et purification.
- Revêtement de nanoparticules d'or avec de l'ADN modifié par un groupement thiols.
- Assemblage d'antennes nano en origami d'ADN (DONA) à l'aide de gradients de température.
- Purification des DONA par électrophorèse sur gel d'agarose.
Résultats principaux
- Assemblage réussi d'antennes nano en origami d'ADN plasmoniques.
- Capacité démontrée de détection de molécules uniques dans des zones de forte intensité champ électromagnétique.
- 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 corrélées de microscopie à force atomique (AFM) et de Raman améliorent la fiabilité des mesures.
- Cette technologie a des implications importantes pour la recherche biochimique.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
La SERS à l'échelle d'une seule molécule, rendue possible par des nanoantennes en origami d'ADN plasmoniques, offre une spécificité chimique sans précédent au niveau de la molécule individuelle, comblant ainsi un manque critique dans l'évaluation mécanistique des risques et la validation des cibles en recherche et développement biopharmaceutique. Cette capacité permet le suivi en temps réel du comportement moléculaire et des réactions, renforçant ainsi la fiabilité prédictive en phase précoce de découverte et de recherche translationnelle. Cette approche améliore la prise de décision stratégique en révélant l'hétérogénéité moléculaire et les mécanismes réactionnels restant invisibles dans les analyses en volume.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Permet l'interrogation directe des mécanismes moléculaires et des voies réactionnelles à une résolution au niveau de la molécule unique.
- Permet la validation fonctionnelle de cibles en révélant l'hétérogénéité et les événements moléculaires rares.
- Améliore la confiance prédictive dans le choix des cibles et la réduction des risques mécanistiques.
Développement de criblage et de tests
- Facilite la préparation de systèmes nanométriques validés pour des tests biochimiques unimoléculaires en aval.
- Permet un positionnement reproductible des analytes dans les points chauds SERS afin d'obtenir des mesures quantitatives.
- Permet la standardisation et la montée en échelle des tests pour l'évaluation de composés à haute sensibilité.
Recherche translationnelle et préclinique
- Permet la détection de biomolécules médicalement pertinentes avec une haute sensibilité au niveau de la molécule unique.
- Assure une continuité entre la découverte et la validation préclinique en suivant les réponses moléculaires aux changements environnementaux.
- Permet de prendre des décisions d'avancement ajustées au risque en se fondant sur des connaissances mécanistiques détaillées.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Cette méthode s'intègre dans la continuité de la découverte, depuis les premières études mécanistiques jusqu'à l'identification de composés candidats et la recherche translationnelle, en fournissant une plateforme réutilisable pour l'analyse de molécules uniques.
- Découverte en biologie : Favorise la validation d'hypothèses et l'élucidation des voies en permettant la détection d'événements moléculaires individuels.
- Écrantage : Fournit des résultats SERS quantitatifs et reproductibles permettant une comparaison fiable des conditions analytiques.
- Analytique : Offre des signaux spectroscopiques à haute sensibilité et une corrélation par microscopie à force atomique (AFM) pour une interprétation robuste des données.
- Recherche translationnelle : S'inscrit dans la détection de biomarqueurs et les études mécanistiques en lien avec des modèles de maladies.
- Réutilisation en milieu professionnel : Propose une plateforme standardisée et évolutible pour une grande diversité de cibles et d'applications moléculaires.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans la validation des cibles.
- Valeur opérationnelle : Fournit des mesures reproductibles et standardisées au niveau monocellulaire avec un débit évolutif.
- Valeur stratégique : Permet des décisions éclairées de poursuite ou d'abandon et réduit les risques biologiques en phase avancée.
- Impact sur le portefeuille : Soutient la priorisation et l'avancement ajustées au risque des cibles à forte valeur.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en nanotechnologie de l'ADN, en microscopie à force atomique (AFM) et en spectroscopie Raman.
- Suppose un accès à des instruments avancés pour l'imagerie AFM et les mesures de diffusion Raman améliorée par surface (SERS).
- Exige une standardisation rigoureuse entre équipes pour l'assemblage reproductible des nano-antennes et la corrélation des données.
- L'adaptation à différents analytes ou biomolécules peut nécessiter une optimisation du protocole.
- Le rapport signal sur bruit et la reproductibilité des points chauds constituent des facteurs pratiques à prendre en compte pour une mise en œuvre robuste.
F.A.Q. sur la bio-industrie pharmaceutique
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)
