Misurazioni dello scattering Raman potenziato dalla superficie di una singola molecola rese possibili da nanoantenne di origami di DNA plasmonico
July 21st, 2023
Questo protocollo dimostra misurazioni di scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) a singola molecola utilizzando una nanoantenna origami di DNA (DONA) combinata con microscopia a forza atomica colocalizzata (AFM) e misurazioni Raman.
La nostra ricerca mira a sviluppare nuovi strumenti per rilevare singole molecole mediante scattering o sorgente Raman potenziato dalla superficie. Questa è l'unica tecnica che fornisce un'impronta chimica di una molecola ed è abbastanza sensibile da rilevare singole molecole. In questo modo, è possibile ottenere informazioni meccanicistiche dettagliate sulle reazioni chimiche.
Le nanostrutture di origami di DNA sono state utilizzate per posizionare con precisione sia le nanoparticelle plasmoniche che le molecole bersaglio. E questo è necessario perché lo scattering Raman potenziato ha origine da un piccolo volume nanometrico tra le nanoparticelle che chiamiamo punti caldi. E ora abbiamo creato una nuova nanoantenna origami di DNA plasmonico, proprio per questo scopo.
La sfida principale è quella di posizionare le molecole bersaglio in tali punti caldi tra due nanoparticelle e raccogliere dati Raman da esattamente una struttura di nanoantenna. Per raccogliere grandi quantità di dati e correlazione efficiente tra microscopia a forza atomica è necessario eseguire una spettroscopia Raman. Le nanoantenne origami di DNA plasmonico consentono una produzione riproducibile di un gran numero di dimeri plasmonici in cui la molecola bersaglio è posizionata con precisione tra le nanoparticelle nell'hotspot.
E attraverso una correlazione dei dati AFM e Raman, ora possiamo assicurarci che venga rilevata solo una singola molecola. Ora possiamo tracciare singole molecole come molecole di coloranti o proteine in tempo reale, e il loro comportamento nei punti caldi e le loro reazioni ai cambiamenti chimici nell'ambiente. Ad esempio, il cambiamento dello stato di spin di singole molecole umane è stato recentemente monitorato.
In futuro, ci proponiamo di monitorare le reazioni chimiche a livello molecolare e di studiare i loro meccanismi di reazione. Inoltre, possiamo utilizzare questa tecnologia per rilevare biomolecole rilevanti dal punto di vista medico con una sensibilità molto elevata.
Panoramica
Questo protocollo dimostra misurazioni di diffusione Raman potenziata in superficie (SERS) a singola molecola utilizzando una nanoantenna di origami di DNA (DONA) combinata con microscopia a forza atomica (AFM) colocalizzata e misurazioni Raman. Lo studio mira a sviluppare strumenti per rilevare molecole singole e monitorare il loro comportamento in tempo reale.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienza
- Biofisica
- Nanotecnologia
Sfondo
- La diffusione Raman potenziata in superficie (SERS) fornisce impronte chimiche delle molecole.
- Le strutture di origami di DNA sono utilizzate per posizionare nanoparticelle e molecole bersaglio.
- I punti caldi tra le nanoparticelle potenziano la diffusione Raman.
- La correlazione dei dati AFM e Raman è cruciale per il rilevamento di molecole singole.
Obiettivo dello studio
- Tracciare molecole singole come coloranti o proteine in tempo reale.
- Monitorare reazioni chimiche a livello molecolare singolo.
- Rilevare biomolecole di rilevanza medica con alta sensibilità.
Metodi utilizzati
- Preparazione di strutture di origami di DNA e purificazione.
- Rivestimento di nanoparticelle d'oro con DNA modificato con tiolo.
- Assemblaggio di nano antenne di origami di DNA (DONA) utilizzando gradienti di temperatura.
- Purificazione di DONA utilizzando elettroforesi su gel di agarose.
Risultati principali
- Assemblaggio riuscito di nano antenne di origami di DNA plasmoniche.
- Capacità dimostrata di rilevare molecole singole nei punti caldi.
- Tracciamento in tempo reale del comportamento molecolare e delle reazioni.
- Potenziali applicazioni nel monitoraggio delle reazioni chimiche e nel rilevamento di biomolecole.
Conclusioni
- Il metodo sviluppato permette una precisa rilevazione di molecole singole.
- I dati AFM e Raman correlati migliorano l'affidabilità delle misurazioni.
- Questa tecnologia ha implicazioni significative per la ricerca biochimica.
Domande frequenti
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)
