Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering Measurements mogelijk gemaakt door Plasmonic DNA Origami Nanoantennas
July 21st, 2023
Dit protocol demonstreert single-molecule surface-enhanced Raman scattering (SERS) metingen met behulp van een DNA origami nanoantenna (DONA) in combinatie met colocalized atomic force microscopy (AFM) en Raman metingen.
Ons onderzoek is gericht op het ontwikkelen van nieuwe hulpmiddelen om afzonderlijke moleculen te detecteren door oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing of bron. Dit is de enige techniek die een chemische vingerafdruk van een molecuul biedt en gevoelig genoeg is om afzonderlijke moleculen te detecteren. Op deze manier kan gedetailleerde mechanistische informatie over chemische reacties worden verkregen.
DNA origami nanostructuren zijn gebruikt om zowel plasmonische nanodeeltjes als doelmoleculen nauwkeurig te positioneren. En dit is nodig omdat de verbeterde Raman-verstrooiing afkomstig is van een klein nanometrisch volume tussen de nanodeeltjes die we hotspots noemen. En we hebben nu nieuwe plasmonische DNA origami nanoantenna gemaakt, precies voor dit doel.
De belangrijkste uitdaging is om doelmoleculen in dergelijke hotspots tussen twee nanodeeltjes te plaatsen en Raman-gegevens te verzamelen van precies één nanoantenna-structuur. Om grote hoeveelheden gegevens en een efficiënte correlatie tussen atoomkrachtmicroscopie te verzamelen, moet een Raman-spectroscopie worden uitgevoerd. De plasmonische DNA origami nanoantenna's zorgen voor een reproduceerbare productie van een groot aantal plasmonische dimeren waarbij het doelmolecuul precies tussen de nanodeeltjes in de hotspot is geplaatst.
En door een correlatie van de AFM- en Raman-gegevens kunnen we er nu voor zorgen dat er slechts één molecuul wordt gedetecteerd. Nu kunnen we afzonderlijke moleculen zoals kleurstofmoleculen of eiwitten in realtime volgen, en hun gedrag in de hotspots en hun reacties op chemische veranderingen in de omgeving. Zo werd onlangs de verandering van de spintoestand van afzonderlijke menselijke moleculen gemonitord.
In de toekomst willen we chemische reacties op moleculair niveau volgen en hun reactiemechanismen bestuderen. Daarnaast kunnen we deze technologie gebruiken om medisch relevante biomoleculen met een zeer hoge gevoeligheid te detecteren.
Overzicht
Dit protocol demonstreert single-molecuul oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing (SERS) metingen met behulp van een DNA origami nanoantenne (DONA) gecombineerd met gelokaliseerde atoomkrachtmicroscopie (AFM) en Raman-metingen. De studie heeft tot doel hulpmiddelen te ontwikkelen voor het detecteren van enkele moleculen en het monitoren van hun gedrag in real time.
Belangrijkste onderdelen van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biofysica
- Nanotechnologie
Achtergrond
- Oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing (SERS) biedt chemische vingerafdrukken van moleculen.
- DNA origami structuren worden gebruikt om nanodeeltjes en doelmoleculen te positioneren.
- Hotspots tussen nanodeeltjes verbeteren de Raman-verstrooiing.
- Het correleren van AFM- en Raman-gegevens is cruciaal voor de detectie van enkele moleculen.
Doel van het onderzoek
- Om enkele moleculen zoals kleurstoffen of eiwitten in real time te volgen.
- Om chemische reacties op moleculair niveau te monitoren.
- Om medisch relevante biomoleculen met hoge gevoeligheid te detecteren.
Gebruikte methoden
- Bereiding van DNA origami structuren en zuivering.
- Bekleden van gouden nanodeeltjes met tiol-gemodificeerd DNA.
- Assembleren van DNA origami nano antennes (DONAs) met behulp van temperatuurgradiënten.
- Zuivering van DONAs met behulp van agarose gel elektroforese.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle assemblage van plasmonische DNA origami nano antennes.
- Aangetoond vermogen om enkele moleculen in hotspots te detecteren.
- Real-time tracking van moleculair gedrag en reacties.
- Mogelijke toepassingen in het monitoren van chemische reacties en het detecteren van biomoleculen.
Conclusies
- De ontwikkelde methode maakt nauwkeurige detectie van enkele moleculen mogelijk.
- Gecorreleerde AFM- en Raman-gegevens verhogen de betrouwbaarheid van metingen.
- Deze technologie heeft significante implicaties voor biochemisch onderzoek.
Veelgestelde vragen
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)
