Обнаружение бактерий и вирусов с помощью флуоресцентных нанотрубок
Междисциплинарная исследовательская группа из Бохума, Дуйсбурга и Цюриха разработала новый подход для создания модульных оптических сенсоров, способных обнаруживать вирусы и бактерии. Исследователи использовали флуоресцентные углеродные нанотрубки с новым типом ДНК-якорей, которые выступают в роли молекулярных ручек.
Эти якорные структуры можно использовать для присоединения биологических распознающих элементов, таких как антитела или аптамеры, к нанотрубкам. Распознающий элемент может затем взаимодействовать с бактериальными или вирусными молекулами. Эти взаимодействия влияют на флуоресценцию нанотрубок, увеличивая или уменьшая их яркость.
Команда под руководством профессора Себастьяна Крусса, Юстуса Меттерниха и четырёх сотрудников из Рурского университета Бохума (Германия), Института микроэлектронных схем и систем Фраунгофера и ETH Zurich сообщила о своих результатах в Journal of the American Chemical Society 27 июня 2023 года.
Простая настройка биосенсоров на основе углеродных нанотрубок
Команда использовала трубчатые наносенсоры из углерода диаметром менее одного нанометра. При облучении видимым светом углеродные нанотрубки испускают свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Этот свет невидим для человеческого глаза, но идеален для оптических приложений, поскольку уровень других сигналов в этом диапазоне сильно снижен.
В предыдущих работах команда Себастьяна Крусса уже показала, как можно управлять флуоресценцией нанотрубок для обнаружения важных биомолекул. Теперь исследователи искали способ легко настраивать углеродные сенсоры для работы с различными молекулами-мишенями.
Ключом к успеху стали структуры ДНК с так называемыми гуаниновыми квантовыми дефектами. Это подразумевает связывание оснований ДНК с нанотрубкой, что создаёт дефект в её кристаллической структуре. В результате флуоресценция нанотрубок изменялась на квантовом уровне. Кроме того, дефект действовал как молекулярная ручка, позволяющая ввести распознающий элемент, который можно адаптировать к соответствующей молекуле-мишени для идентификации конкретного вирусного или бактериального белка.
«Благодаря присоединению распознающего элемента к ДНК-якорям сборка такого сенсора напоминает систему строительных блоков — за исключением того, что отдельные части в 100 000 раз меньше человеческого волоса», — говорит Себастьян Крусс.
Сенсор идентифицирует различные бактериальные и вирусные мишени
Группа продемонстрировала новую концепцию сенсора на примере спайк-белка SARS-CoV-2. Для этого исследователи использовали аптамеры, которые связываются с этим белком. «Аптамеры — это сложенные цепи ДНК или РНК. Благодаря своей структуре они могут избирательно связываться с белками», — объясняет Юстус Меттерних. «На следующем этапе концепцию можно перенести на антитела или другие распознающие элементы».
Флуоресцентные сенсоры указывали на присутствие белка SARS-CoV-2 с высокой степенью надёжности. Селективность сенсоров с гуаниновыми квантовыми дефектами была выше, чем у сенсоров без таких дефектов. Более того, сенсоры с гуаниновыми дефектами были стабильнее в растворе.
«Это преимущество, если думать об измерениях за пределами простых водных растворов. Для диагностических применений нам придётся измерять в сложных средах, например, с клетками, в крови или в самом организме», — говорит Себастьян Крусс, возглавляющий группу «Функциональные интерфейсы и биосистемы» в Рурском университете Бохума.