Medidas de espalhamento Raman aprimoradas por superfície de molécula única habilitadas por nanoantenas de origami de DNA plasmônico
21 de julho de 2023
Este protocolo demonstra medidas de espalhamento Raman intensificado por superfície de molécula única (SERS) usando uma nanoantena de origami de DNA (DONA) combinada com microscopia de força atômica colocalizada (AFM) e medições Raman.
Nossa pesquisa visa desenvolver novas ferramentas para detectar moléculas únicas por espalhamento Raman ou fonte intensificada por superfície. Esta é a única técnica que fornece uma impressão digital química de uma molécula e é sensível o suficiente para detectar moléculas únicas. Desta forma, informações mecanicistas detalhadas sobre reações químicas podem ser obtidas.
Nanoestruturas de DNA origami têm sido usadas para posicionar precisamente nanopartículas plasmônicas e moléculas-alvo. E isso é necessário porque o espalhamento Raman aprimorado se origina de um pequeno volume nanométrico entre as nanopartículas que chamamos de hotspots. E agora criamos uma nova nanoantena de origami de DNA plasmônico, exatamente para esse fim.
O principal desafio é colocar moléculas-alvo nesses hotspots entre duas nanopartículas e coletar dados Raman de exatamente uma estrutura de nanoantena. Para coletar grandes quantidades de dados e correlação eficiente entre microscopia de força atômica uma espectroscopia Raman precisa ser feita. As nanoantenas de origami de DNA plasmônico permitem a produção reprodutível de um grande número de dímeros plasmônicos nos quais a molécula-alvo é precisamente posicionada entre as nanopartículas no hotspot.
E através de uma correlação dos dados AFM e Raman, agora podemos ter certeza de que há apenas uma única molécula que é detectada. Agora podemos rastrear moléculas individuais, como moléculas de corantes ou proteínas, em tempo real, e seu comportamento nos hotspots e suas reações a mudanças químicas no ambiente. Por exemplo, a mudança do estado de spin de moléculas humanas individuais foi recentemente monitorada.
No futuro, pretendemos monitorar reações químicas em nível molecular único e estudar seus mecanismos de reação. Além disso, podemos usar essa tecnologia para detectar biomoléculas clinicamente relevantes com sensibilidade muito alta.
Visão Geral
Este protocolo demonstra medições de espalhamento Raman amplificado por superfície em nível de molécula única (SERS) utilizando uma nanoantena de origami de DNA (DONA) combinada com medições colocalizadas de microscopia de força atômica (AFM) e espectroscopia Raman. O estudo tem como objetivo desenvolver ferramentas para detectar moléculas individuais e monitorar seu comportamento em tempo real.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Biofísica
- Nanotecnologia
Contexto
- A espectroscopia de espalhamento Raman ressonante com superfície (SERS) fornece impressões químicas de moléculas.
- Estruturas de DNA origami são usadas para posicionar nanopartículas e moléculas alvo.
- Os pontos quentes entre nanopartículas amplificam o espalhamento Raman.
- A correlação entre dados de AFM e Raman é essencial para a detecção de moléculas individuais.
Objetivo do Estudo
- Rastrear moléculas individuais, como corantes ou proteínas, em tempo real.
- Monitorar reações químicas em nível molecular individual.
- Detectar biomoléculas clinicamente relevantes com alta sensibilidade.
Métodos Utilizados
- Preparação de estruturas de DNA origami e purificação.
- Revestimento de nanopartículas de ouro com DNA modificado por tiol.
- Montagem de nanoantenas de DNA origami (DONAs) utilizando gradientes de temperatura.
- Purificação de DONAs por eletroforese em gel de agarose.
Resultados Principais
- Montagem bem-sucedida de nanoantenas de origami de DNA plasmônico.
- Capacidade demonstrada de detectar moléculas individuais em pontos quentes.
- Rastreamento em tempo real do comportamento e reações moleculares.
- Aplicações potenciais no monitoramento de reações químicas e detecção de biomoléculas.
Conclusões
- O método desenvolvido permite a detecção precisa de moléculas individuais.
- Dados correlacionados de AFM e Raman aumentam a confiabilidade das medições.
- Essa tecnologia tem implicações significativas para a pesquisa bioquímica.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
O SERS em nível de molécula única, possibilitado por nanoantenas de origami de DNA plasmônicas, fornece uma especificidade química sem precedentes no nível individual da molécula, atendendo a uma lacuna crítica na desmistificação mecanicista e na validação de alvos para a pesquisa e desenvolvimento em biofármacos. Essa capacidade permite o rastreamento em tempo real do comportamento e das reações moleculares, apoiando a confiança preditiva nas fases iniciais de descoberta e na pesquisa translacional. A abordagem aprimora a tomada de decisões no portfólio ao revelar a heterogeneidade molecular e os mecanismos de reação que permanecem ocultos nas análises em massa.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biofármacos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação direta de mecanismos moleculares e vias de reação com resolução em nível de molécula individual.
- Apóia a validação funcional de alvos ao revelar heterogeneidade e eventos moleculares raros.
- Aprimora a confiança preditiva na seleção de alvos e na redução de riscos mecanicistas.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Facilita a preparação de sistemas em escala nanométrica validados para ensaios de molécula única em etapas subsequentes.
- Permite o posicionamento reprodutível de analitos em pontos quentes de SERS para leituras quantitativas.
- Apóia a padronização e escalabilidade de ensaios para avaliação de compostos de alta sensibilidade.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Permite a detecção de biomoléculas clinicamente relevantes com alta sensibilidade ao nível de única molécula.
- Oferece continuidade do descobrimento à validação pré-clínica por meio do monitoramento das respostas moleculares a alterações ambientais.
- Permite decisões de avanço ajustadas ao risco com base em informações mecanicistas detalhadas.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este método integra-se ao continuum de descoberta, desde estudos mecanicistas iniciais até a identificação de compostos líderes e pesquisas translacionais, fornecendo uma plataforma reutilizável para análises de molécula única.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a elucidação de vias ao permitir a detecção de eventos moleculares individuais.
- Triagem: Fornece resultados quantitativos e reprodutíveis de SERS para comparação confiável de condições de analitos.
- Análises: Oferece leituras espectroscópicas de alta sensibilidade e correlação com AFM para interpretação robusta de dados.
- Pesquisa Translacional: Alinha-se à detecção de biomarcadores e estudos mecanicistas relevantes para modelos de doenças.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma plataforma padronizada e escalável para diversos alvos e aplicações moleculares.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na validação de alvos.
- Valor Operacional: Fornece medições padronizadas e reproduzíveis em nível de molécula única, com produtividade escalável.
- Valor Estratégico: Permite decisões informadas de avançar/não avançar e reduz riscos biológicos em estágios avançados.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco e o avanço de alvos de alto valor.
Considerações sobre a Implementação
- Exige especialização em nanotecnologia de DNA, microscopia de força atômica (AFM) e espectroscopia Raman.
- Requer acesso a instrumentação avançada para imageamento em AFM e medições de SERS.
- Exige padronização rigorosa entre equipes para montagem reprodutível de nanoantenas e correlação de dados.
- A adaptação a diferentes analitos ou biomoléculas pode exigir otimização do protocolo.
- A relação sinal-ruído e a reprodutibilidade dos pontos quentes são considerações práticas para uma implementação robusta.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
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)
