DNA Origami suggereert route naar herbruikbare, multifunctionele biosensoren

Met behulp van een benadering genaamd DNA Origami hebben wetenschappers van Caltech een techniek ontwikkeld die kan leiden tot goedkopere, herbruikbare biomarkersensoren voor het snel detecteren van eiwitten in lichamelijke vloeistoffen, waardoor de noodzaak om monsters te verzenden naar laboratoriumcentra voor testen te verzenden.

“Ons werk biedt een proof-of-concept dat een pad toont naar een enkele stapsgewijze methode die kan worden gebruikt om nucleïnezuren en eiwitten te identificeren en te meten”, zegt Paul Rothemund (BS ’94), een bezoekende medewerker bij Caltech in Computing en Wiskundige wetenschappen, en berekening en neurale systemen.

Een paper die onlangs het werk beschrijft verscheen in het dagboek Proceedings of the National Academy of Sciences. De hoofdauteurs van de krant zijn voormalig Caltech Postdoctoral Scholar Byoung-Jin Jeon en de huidige afgestudeerde student Matteo M. Guareschi, die het werk in het laboratorium van Rothemund voltooide.

In 2006 publiceerde Rothemund de Eerste papier over DNA Origamieen techniek die eenvoudige maar voortreffelijke controle biedt over het ontwerp van moleculaire structuren op nanoschaal met niets meer dan DNA.

In wezen zorgt DNA Origami in staat om lange strengen DNA te vouwen, door zelfassemblage, in elke gewenste vorm. (In het artikel van 2006 gebruikte Rothemund beroemd de techniek om miniatuur DNA -smiley -gezichten te creëren die 100 nanometers over en 2 nanometer dik meten).

Onderzoekers beginnen met een lange streng DNA, de steiger, in oplossing. Omdat de nucleotidebasen die DNA vormen op een bekende manier binden (adenine bindt aan thymine en guanine bindt aan cytosine), kunnen de wetenschappers honderden korte sequenties complementair DNA toevoegen weten .

Die korte, toegevoegde stukken DNA vouwen de steiger en geven het vorm, werken als “nietjes” die de structuur bij elkaar houden. De techniek kan vervolgens worden gebruikt om vormen te creëren, variërend van een kaart van Noord- en Zuid -Amerika tot transistors op nanoschaal.

In het nieuwe werk gebruikten Rothemund en zijn collega’s DNA-origami om een ​​lilypad-achtige structuur te creëren-een plat, cirkelvormig oppervlak ongeveer 100 nanometer in diameter, gebonden door een DNA-linker naar een gouden elektrode. Zowel de lilypad als de elektrode hebben korte DNA -strengen beschikbaar om te binden met een analyt, een molecuul van interesse in oplossing – of dat is een molecuul van DNA, een eiwit of een antilichaam.

Wanneer de analyt bindt aan die korte strengen, wordt de lilypad naar het gouden oppervlak getrokken, waardoor 70 reportermoleculen op de lilypad (die aangeven dat het beoogde molecuul aanwezig is) in contact met het goudoppervlak. Deze verslaggevers zijn redoxreactieve moleculen, wat betekent dat ze gemakkelijk elektronen kunnen verliezen tijdens een reactie. Dus wanneer ze voldoende dicht bij een elektrode komen, kan een elektrische stroom worden waargenomen. Een sterkere stroom geeft aan dat er meer van het molecuul van interesse aanwezig is.

Eerder werd een vergelijkbare benadering van het maken van biosensoren ontwikkeld met behulp van een enkele DNA -streng in plaats van een DNA -origami -structuur. Dat eerdere werk werd geleid door Kevin W. Plaxco (Ph.D. ’94) van UC Santa Barbara, die ook auteur is van de huidige paper.

Caltech’s Guareschi wijst erop dat de nieuwe Lilypad Origami groot is in vergelijking met een enkele DNA -streng. “Dat betekent dat het 70 verslaggevers op een enkel molecuul kan passen en ze uit de buurt van het oppervlak kan houden voordat u bindt. Wanneer de analyt gebonden is en de lilypad de elektrode bereikt, is er een grote signaalwinst, waardoor de verandering gemakkelijk te detecteren is,” Guareschi zegt.

De relatief grote omvang van de origami van Lilypad betekent ook dat het systeem gemakkelijker kan herbergen en grotere moleculen kan detecteren, zoals grote eiwitten. In het nieuwe artikel toonde het team aan dat de twee korte DNA -strengen op het lilypad en het gouden oppervlak als adapters konden worden gebruikt, waardoor het een sensor voor eiwitten is in plaats van voor DNA.

In het werk voegden de onderzoekers de vitamine -biotine toe aan die korte DNA -strengen om van het systeem een ​​sensor voor het eiwitstreptavidine te veranderen. Vervolgens voegden ze een DNA -aptameer toe, een DNA -streng dat kan binden aan een specifiek eiwit; In dit geval gebruikten ze een aptameer die bindt aan een eiwit genaamd bloedplaatjes-afgeleide groeifactor BB (PDGF-BB), die kan worden gebruikt om ziekten zoals cirrose en inflammatoire darmaandoeningen te helpen diagnosticeren.

“We voegen deze eenvoudige moleculen gewoon toe aan het systeem, en het is klaar om iets anders te voelen”, zegt Guareschi. “Het is groot genoeg om tegemoet te komen aan alles wat je erop gooit – dat kunnen aptameren, nanobodieën, fragmenten van antilichamen zijn – en het hoeft niet elke keer volledig opnieuw te worden ontworpen.”

De onderzoekers laten ook zien dat de sensor meerdere keren kan worden hergebruikt, met nieuwe adapters die elke ronde voor verschillende detecties hebben toegevoegd. Hoewel de prestaties in de loop van de tijd enigszins degradeert, kan het huidige systeem ten minste vier keer worden hergebruikt.

In de toekomst hoopt het team dat het systeem ook nuttig kan zijn voor proteomica – studies die bepalen welke eiwitten zich in een monster bevinden en in welke concentraties. “Je zou meerdere sensoren tegelijkertijd kunnen hebben met verschillende analyten, en dan zou je een wasbeurt kunnen doen, de analyten en remase kunnen schakelen. En dat zou je meerdere keren kunnen doen”, zegt Guareschi. “Binnen enkele uren zou u honderden eiwitten kunnen meten met behulp van een enkel systeem.”

Extra auteurs van het artikel, “Modulaire DNA-origami-gebaseerde elektrochemische detectie van DNA en eiwitten,” zijn Jaimie M. Stewart van UCLA; Emily Wu en Ashwin Gopinath van MIT, Netzahualcóyotl Arroyo-Currás van Johns Hopkins University School of Medicine, Philippe Dauphin-Ducharme van de Université de Sherbrooke in Canada; en Philip S. Lukeman van St. John’s University in New York.