Detectie van bacteriën en virussen met fluorescerende nanobuisjes

Een interdisciplinair onderzoeksteam uit Bochum, Duisburg en Zürich heeft een nieuwe benadering ontwikkeld om modulaire optische sensoren te bouwen die virussen en bacteriën kunnen detecteren. De onderzoekers gebruikten fluorescerende koolstofnanobuisjes met een nieuw type DNA-ankers die fungeren als moleculaire handvatten.

De ankerstructuren kunnen worden gebruikt om biologische herkenningseenheden zoals aptameren van antilichamen aan de nanobuisjes te conjugeren. De herkenningseenheid kan vervolgens een interactie aangaan met bacteriële of virale moleculen naar de nanobuisjes. Deze interacties beïnvloeden de fluorescentie van de nanobuisjes en verhogen of verlagen hun helderheid.

Een team bestaande uit professor Sebastian Kruss, Justus Metternich en vier medewerkers van de Ruhr Universiteit Bochum (Duitsland), het Fraunhofer Instituut voor Micro-elektronische Circuits en Systemen en de ETH Zürich rapporteerden hun bevindingen in de Tijdschrift van de American Chemical Societyonline gepubliceerd op 27 juni 2023.

Eenvoudige aanpassing van koolstof nanobuis biosensoren

Het team gebruikte buisvormige nanosensoren die gemaakt waren van koolstof en een diameter hadden van minder dan een nanometer. Wanneer ze worden bestraald met zichtbaar licht, zenden koolstofnanobuisjes licht uit in het nabije infraroodbereik. Bijna-infrarood licht is niet zichtbaar voor het menselijk oog. Het is echter perfect voor optische toepassingen, omdat het niveau van andere signalen in dit bereik sterk wordt verminderd.

In eerdere studies had het team van Sebastian Kruss al laten zien hoe de fluorescentie van nanobuisjes kan worden gemanipuleerd om vitale biomoleculen te detecteren. Nu zochten de onderzoekers naar een manier om de koolstofsensoren op een eenvoudige manier aan te passen voor gebruik met verschillende doelmoleculen.

De sleutel tot succes waren DNA-structuren met zogenaamde guanine-kwantumdefecten. Dit omvatte het koppelen van DNA-basen aan de nanobuis om een ​​defect in de kristalstructuur van de nanobuis te creëren. Als gevolg hiervan veranderde de fluorescentie van de nanobuisjes op kwantumniveau. Bovendien fungeerde het defect als een moleculair handvat dat het mogelijk maakte om een ​​detectie-eenheid te introduceren, die kan worden aangepast aan het respectievelijke doelmolecuul om een ​​specifiek viraal of bacterieel eiwit te identificeren.

“Door de bevestiging van de detectie-eenheid aan de DNA-ankers lijkt de montage van zo’n sensor op een systeem van bouwstenen, behalve dat de afzonderlijke onderdelen 100.000 keer kleiner zijn dan een mensenhaar”, zegt Sebastian Kruss.

Sensor identificeert verschillende bacteriële en virale doelwitten

De groep presenteerde het nieuwe sensorconcept met het SARS CoV-2 spike-eiwit als voorbeeld. Hiervoor gebruikten de onderzoekers aptameren, die binden aan het SARS CoV-2 spike-eiwit. “Aptameren zijn gevouwen DNA- of RNA-strengen. Door hun structuur kunnen ze zich selectief binden aan eiwitten”, legt Justus Metternich uit. “In de volgende stap zou men het concept kunnen overbrengen naar antilichamen of andere detectie-eenheden.”

De fluorescerende sensoren wezen met een hoge mate van betrouwbaarheid op de aanwezigheid van het SARS-CoV-2-eiwit. De selectiviteit van sensoren met guanine-kwantumdefecten was hoger dan de selectiviteit van sensoren zonder dergelijke defecten. Bovendien waren de sensoren met guanine-kwantumdefecten stabieler in oplossing.

“Dit is een voordeel als u nadenkt over metingen die verder gaan dan eenvoudige waterige oplossingen. Voor diagnostische toepassingen moeten we meten in complexe omgevingen, bijvoorbeeld met cellen, in het bloed of in het organisme zelf”, zegt Sebastian Kruss, hoofd van de Functional Interfaces and Biosystems Group aan de Ruhr University Bochum en lid van de Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) en de International Graduate School of Neuroscience.