Påvisning af bakterier og vira med fluorescerende nanorør

Et tværfagligt forskerhold fra Bochum, Duisburg og Zürich har udviklet en ny tilgang til at konstruere modulære optiske sensorer, som er i stand til at detektere vira og bakterier. Forskerne brugte fluorescerende carbon nanorør med en ny type DNA-ankre, der fungerer som molekylære håndtag.

Ankerstrukturerne kan bruges til at konjugere biologiske genkendelsesenheder, såsom antistoffer, aptamerer til nanorørene. Genkendelsesenheden kan efterfølgende interagere med bakterielle eller virale molekyler til nanorørene. Disse interaktioner påvirker fluorescensen af ​​nanorørene og øger eller mindsker deres lysstyrke.

Et team bestående af professor Sebastian Kruss, Justus Metternich og fire medarbejdere fra Ruhr University Bochum (Tyskland), Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems og ETH Zürich rapporterede deres resultater i Journal of the American Chemical Society , offentliggjort online den 27. juni 2023.

Ligetil tilpasning af kulstofnanorør-biosensorer

Holdet brugte rørformede nanosensorer, der var lavet af kulstof og havde en diameter på mindre end en nanometer. Når de bestråles med synligt lys, udsender kulstofnanorør lys i det nær-infrarøde område. Nær-infrarødt lys er ikke synligt for det menneskelige øje. Den er dog perfekt til optiske applikationer, fordi niveauet af andre signaler i dette område er stærkt reduceret.

I tidligere undersøgelser havde Sebastian Kruss' hold allerede vist, hvordan fluorescensen af ​​nanorør kan manipuleres for at detektere vitale biomolekyler. Nu søgte forskerne efter en måde at tilpasse kulstofsensorerne til brug med forskellige målmolekyler på en ligetil måde.

Nøglen til succes var DNA-strukturer med såkaldte guaninkvantefejl. Dette involverede at forbinde DNA-baser til nanorøret for at skabe en defekt i nanorørets krystalstruktur. Som et resultat ændrede fluorescensen af ​​nanorørene sig på kvanteniveau. Derudover fungerede defekten som et molekylært håndtag, der gjorde det muligt at indføre en detektionsenhed, som kan tilpasses til det respektive målmolekyle med det formål at identificere et specifikt viralt eller bakterielt protein.

"Ved fastgørelsen af ​​detektionsenheden til DNA-ankrene ligner samlingen af ​​en sådan sensor et system af byggeklodser - bortset fra at de enkelte dele er 100.000 gange mindre end et menneskehår," siger Sebastian Kruss.

Sensor identificerer forskellige bakterielle og virale mål

Gruppen fremviste det nye sensorkoncept ved at bruge SARS CoV-2 spikeproteinet som eksempel. Til dette formål brugte forskerne aptamerer, der binder til SARS CoV-2 spike-proteinet. "Aptamerer er foldede DNA- eller RNA-strenge. På grund af deres struktur kan de binde sig selektivt til proteiner," forklarer Justus Metternich. "I næste trin kunne man overføre konceptet til antistoffer eller andre detektionsenheder."

De fluorescerende sensorer indikerede tilstedeværelsen af ​​SARS-CoV-2-proteinet med en høj grad af pålidelighed. Selektiviteten af ​​sensorer med guaninkvantefejl var højere end selektiviteten af ​​sensorer uden sådanne defekter. Desuden var sensorerne med guaninkvantefejl mere stabile i opløsning.

"Det er en fordel, hvis man tænker på målinger ud over simple vandige opløsninger. Til diagnostiske applikationer skal vi måle i komplekse miljøer fx med celler, i blodet eller i selve organismen," siger Sebastian Kruss, der er leder af Functional Interfaces og Biosystems Group ved Ruhr University Bochum og er medlem af Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) og International Graduate School of Neuroscience.

Flere oplysninger: Justus T. Metternich et al., Near-Infrared Fluorescent Biosensors Based on Covalent DNA Anchors, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03336

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af Ruhr-Universitaet-Bochum