Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering Measurements mogelijk gemaakt door Plasmonic DNA Origami Nanoantennas
21 juli 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-molecule surface-enhanced Raman scattering (SERS) metingen met behulp van een DNA-origami nanoantenne (DONA) in combinatie met gecolokaliseerde atomic force microscopy (AFM) en Raman-metingen. De studie heeft tot doel instrumenten te ontwikkelen voor het detecteren van enkelvoudige moleculen en het monitoren van hun gedrag in real-time.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Biofysica
- Nanotechnologie
Achtergrond
- Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) biedt chemische vingerafdrukken van moleculen.
- DNA-origami-structuren worden gebruikt om nanodeeltjes en doelmoleculen te positioneren.
- Hotspots tussen nanodeeltjes versterken de Raman-verstrooiing.
- Het correleren van AFM- en Raman-gegevens is essentieel voor detectie van enkelvoudige moleculen.
Doel van de studie
- Om individuele moleculen, zoals kleurstoffen of eiwitten, in real-time te volgen.
- Om chemische reacties op een enkel moleculair niveau te monitoren.
- Om medisch relevante biomoleculen met een hoge gevoeligheid te detecteren.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding en zuivering van DNA-origami-structuren.
- Coaten van goudnanodeeltjes met thiol-gemodificeerd DNA.
- Assemblage van DNA-origami-nanoantennes (DONA's) met behulp van temperatuurgradiënten.
- Zuivering van DONA's middels agarosegelelektroforese.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle assemblage van plasmonische DNA-origami nano-antennes.
- Aangetoonde mogelijkheid om enkelvoudige moleculen in hotspots te detecteren.
- Real-time tracking van moleculair gedrag en reacties.
- Potentiële toepassingen bij het monitoren van chemische reacties en het detecteren van biomoleculen.
Conclusies
- De ontwikkelde methode maakt een nauwkeurige detectie van enkelvoudige moleculen mogelijk.
- Gecorreleerde AFM- en Raman-gegevens verhogen de betrouwbaarheid van de metingen.
- Deze technologie heeft belangrijke implicaties voor biochemisch onderzoek.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor het management
Single-molecule SERS, mogelijk gemaakt door plasmonische DNA-origami nanoantennes, biedt een ongekende chemische specificiteit op het niveau van individuele moleculen, waardoor een kritisch gat wordt gedicht in het mechanistische risicobeheer en de doelvalidatie voor biopharma R&D. Deze mogelijkheid maakt real-time tracking van moleculair gedrag en reacties mogelijk, wat bijdraagt aan de voorspellende betrouwbaarheid in vroege discovery en translationeel onderzoek. De aanpak verbetert de besluitvorming over portfolio's door moleculaire heterogeniteit en reactiemechanismen bloot te leggen die bij bulkanalyses verborgen blijven.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt directe analyse van moleculaire mechanismen en reactiepaden mogelijk met resolutie op enkelvoudig-molecuulniveau.
- Ondersteunt functionele targetvalidatie door heterogeniteit en zeldzame moleculaire gebeurtenissen te onthullen.
- Verbetert het voorspellende vertrouwen voor targetselectie en het verminderen van mechanistische risico's.
Screening & Assayontwikkeling
- Faciliteert de bereiding van gevalideerde nanoschaalsystemen voor daaropvolgende single-molecule assays.
- Maakt reproduceerbare plaatsing van analyten in SERS hotspots mogelijk voor kwantitatieve uitlezingen.
- Ondersteunt assay-standaardisatie en schaalbaarheid voor evaluatie van verbindingen met een hoge gevoeligheid.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Maakt detectie van medisch relevante biomoleculen mogelijk met hoge gevoeligheid op single-molecule niveau.
- Zorgt voor continuïteit van ontdekking naar preklinische validatie door moleculaire reacties op omgevingsveranderingen te volgen.
- Maakt risicogebaseerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk op basis van gedetailleerde mechanistische inzichten.
Integratie van pipeline en workflow
Deze methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van vroege mechanistische studies tot lead-identificatie en translationeel onderzoek, en biedt een herbruikbaar platform voor single-molecule analytics.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing en pathway-verduidelijking door het mogelijk maken van de detectie van individuele moleculaire gebeurtenissen.
- Screening: Levert kwantitatieve, reproduceerbare SERS-outputs voor een betrouwbare vergelijking van analyte-condities.
- Analytica: Biedt spectroscopische read-outs met een hoge gevoeligheid en AFM-correlatie voor een robuuste datainterpretatie.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan bij biomarkerdetectie en mechanistische studies die relevant zijn voor ziektemodellen.
- Bedrijfsvoering en hergebruik: Biedt een gestandaardiseerd, schaalbaar platform voor diverse moleculaire targets en toepassingen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij targetvalidatie.
- Operationele waarde: Levert reproduceerbare, gestandaardiseerde single-molecule metingen met schaalbare throughput.
- Strategische waarde: Maakt geïnformeerde go/no-go beslissingen mogelijk en vermindert biologische risico's in een laat stadium.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en het verder ontwikkelen van targets met een hoge waarde.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in DNA-nanotechnologie, AFM en Raman-spectroscopie.
- Toegang tot geavanceerde instrumentatie voor AFM-imaging en SERS-metingen is noodzakelijk.
- Strikte standaardisatie tussen teams is vereist voor een reproduceerbare assemblage van nanoantennes en datacorrelatie.
- Aanpassing aan verschillende analyten of biomoleculen kan protocoloptimalisatie vereisen.
- De signaal-ruisverhouding en de reproduceerbaarheid van hotspots zijn praktische overwegingen voor een robuuste implementatie.
Veelgestelde vragen over Biopharma
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)
