Nanosensorplatform maakt de ontwikkeling van flexibele biosensoren met modulair ontwerp mogelijk

Biosensoren spelen een sleutelrol in medisch onderzoek en diagnostiek. Tegenwoordig moeten ze echter doorgaans voor elke toepassing speciaal worden ontwikkeld. Een team onder leiding van LMU-chemicus Philip Tinnefeld heeft een algemene, modulaire strategie ontwikkeld voor het ontwerpen van sensoren die eenvoudig kunnen worden aangepast aan verschillende doelmoleculen en concentratiebereiken.

Dat melden de onderzoekers in het tijdschrift Natuur Nanotechnologieheeft hun nieuwe modulaire sensor het potentieel om de ontwikkeling van nieuwe diagnostische hulpmiddelen voor onderzoek aanzienlijk te versnellen.

De sensor maakt gebruik van een DNA-origami-steiger, die bestaat uit twee armen die met elkaar zijn verbonden door een moleculair ‘scharnier’. Elke arm is gelabeld met een fluorescerende kleurstof en de afstand tussen de tags wordt geregistreerd door middel van fluorescentie-resonantie-energieoverdracht (FRET). In gesloten toestand zijn de twee armen evenwijdig; wanneer de structuur opengaat, klappen de armen uit en vormen een hoek van maximaal 90°.

“Als gevolg van deze grote conformationele verandering verandert het fluorescentiesignaal ook substantieel”, legt Viktorija Glembockyte, senior auteur van het onderzoek, uit. “Hierdoor kunnen signalen met aanzienlijk grotere helderheid en precisie worden gemeten dan in systemen met kleine conformationele veranderingen.”

Coöperatieve effecten

Het origami-scaffold kan worden uitgerust met dockingplaatsen voor verschillende biomoleculaire doelen zoals nucleïnezuren, antilichamen en eiwitten. Of de sensor open of gesloten is, hangt af van de binding van het betreffende doelmolecuul aan het origami-scaffold. Zo kan de sensor bewust worden aangepast en geoptimaliseerd door het gebruik van extra bindingsplaatsen of het stabiliseren van DNA-strengen.

“Het is relatief eenvoudig om de origami zo te ontwerpen dat verschillende moleculaire interacties tussen doelmolecuul en sensor tegelijkertijd worden bevraagd”, legt Tinnefeld uit.

“Deze meervoudige bindingen leiden tot interessante coöperatieve effecten die het mogelijk maken om specifiek de gevoeligheid van de sensor te controleren zonder in te grijpen in de biomoleculaire interacties zelf – dat wil zeggen, de kracht waarmee het doelmolecuul aan zijn bindingsplaats koppelt. Deze flexibiliteit is een groot voordeel van ons systeem.”

De onderzoekers zijn van plan de sensor in de toekomst verder te optimaliseren voor biomedische en andere toepassingen. Een mogelijk toepassingsgebied zijn sensoren die verschillende parameters monitoren en onder bepaalde omstandigheden actieve stoffen vrijgeven, zegt Tinnefeld.