Электропереключаемая биоповерхность
Электропереключаемая биоповерхность — это биосенсор , основанный на электроде (часто золотом), к которому ДНК привязан слой биомолекул (часто молекул ). К электроду прикладывается переменный или постоянный электрический потенциал, вызывающий изменение структуры и положения (движения) заряженных биомолекул. Биосенсор используется в науке, например, в биомедицинских и биофизических исследованиях или открытии лекарств , для оценки взаимодействия между биомолекулами и кинетики связывания, а также изменений в размере или конформации биомолекул.
Технологический фон
[ редактировать ]Общий принцип биоповерхности – твердая поверхность с дополнительным слоем биологических макромолекул. Поскольку этот молекулярный слой обратимо реагирует на изменения окружающей среды на поверхности, его также называют «стимул-реагирующим монослоем». Внешними стимулами могут быть, например, изменения температуры, изменения магнитных полей, механических сил или изменения электрических полей. [1] Для прикрепления монослоя биомолекул к поверхности можно использовать разные стратегии, например, осаждение атомного слоя или осаждение слой за слоем . Другой вариант — изготовление самособирающихся монослоев (SAM). [2] Поверхность, чаще всего используемая в этой стратегии, представляет собой золотой электрод. SAM образуются в результате спонтанной организации молекул, например алкантиолатов, на подложке. SAM можно использовать в качестве поверхностных слоев для наночастиц, например, в контрастных веществах для МРТ, они могут защищать металлические пленки от коррозии и иметь множество других применений в электрохимии и нанонауке. [3] Для их применения в качестве биосенсора одной из наиболее часто используемых молекул, самоорганизующихся на золотых электродах, является ДНК. Благодаря своей молекулярной структуре двухцепочечные молекулы ДНК имеют отрицательный заряд и являются жесткими. Применяя переменный потенциал к биоповерхности, прикрепленные нити ДНК можно систематически перемещать, поскольку они будут переключаться между вертикальным и плоским положением. [4] [5] Это позволяет использовать биоповерхность в качестве биосенсора.
Приложения
[ редактировать ]Возможность контролировать электродный потенциал электропереключаемых биоповерхностей облегчает несколько различных применений. [6] Одним из примеров является область молекулярной электроники , например, исследование переноса заряда, опосредованного ДНК. [7] [8]
Другое применение — анализ молекулярных взаимодействий. Для этого цепь ДНК метят флуоресцентным красителем . Возбуждённые флуоресцентные красители могут передавать энергию металлу. Следовательно, флуоресценция гасится вблизи металлического электрода. [9] [10] Для измерения взаимодействий лиганд к голове молекулы ДНК дополнительно прикрепляют и промывают взаимодействующее аналит через биосенсор. С помощью биосенсора можно реализовать два различных режима измерения: статический и динамический. В статическом режиме приложенный к электроду потенциал фиксируется, удерживая молекулу ДНК в вертикальном положении. Связывание аналита с лигандом изменит местное окружение флуоресцентного красителя и тем самым погасит его флуоресценцию. Статический режим также можно использовать для измерения активности ферментов , таких как полимеразы , которые влияют на структуру молекулы ДНК. [11] В динамическом режиме приложенный к электроду потенциал колеблется, поэтому молекула ДНК переключается между вертикальным и горизонтальным положением. Связывание аналита изменит размер присоединенного комплекса. Следовательно, гидродинамическое трение изменится и молекула ДНК будет двигаться через буфер с другой скоростью. Это изменение скорости можно использовать для исследования изменений размера или конформационных изменений, вызванных связыванием аналита. Применение электропереключаемых биоповерхностей в качестве сенсора молекулярных взаимодействий также известно как технология switchSENSE. [12] [13] [14] [15] [16] Он принадлежит к категории микрофлюидных поверхностных методов измерения молекулярных взаимодействий.
Аналогичным применением в этой категории является поверхностный плазмонный резонанс (ППР) , когда тонкая золотая пленка поверх предметного стекла является поверхностью датчика. При ППР золотую пленку можно дополнительно модифицировать с помощью SAM или других специальных слоев. Одним из отличий от электропереключаемых биоповерхностей является то, что к поверхности SPR не прикладывается потенциал. [17] В отличие от методов, связанных с поверхностью, существуют также методы измерения взаимодействия молекул в растворе, например, изотермическая титровальная калориметрия (ITC).
Электрический потенциал можно использовать не только для управления движением нитей ДНК, но и для контроля выхода молекул в раствор. Это имеет возможное применение в области генной терапии , поскольку может обеспечить доставку генетического материала в определенные места. [6]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Химабинду Нандивада, Афтин М. Росс, Йорг Лаханн, Монослои, реагирующие на стимулы для биотехнологии, Прогресс в науке о полимерах, том 35, выпуски 1–2, 2010 г., страницы 141–154, ISSN 0079-6700, https://doi. org/10.1016/j.progpolymsci.2009.11.001
- ^ Ларомейн, А. и Мейс, CR (2013). Самоорганизующиеся монослои как модельные биоповерхности. В книге «Органические наноматериалы» (ред. Т. Торрес и Г. Боттари). https://doi.org/10.1002/9781118354377.ch17
- ^ Лав Дж.К., Эстрофф Л.А., Крибель Дж.К., Нуццо Р.Г., генеральный менеджер Уайтсайдса. Самоорганизующиеся монослои тиолатов на металлах как форма нанотехнологии. Chem Rev. 2005;105(4):1103-1169. дои: 10.1021/cr0300789
- ^ Ориентация спиралей ДНК на золоте с использованием прикладных электрических полей. Шана О. Келли, Жаклин К. Бартон, Николь М. Джексон, Ли Д. Макферсон, Аарон Б. Поттер, Эйлин М. Спейн, Майкл Дж. Аллен и Майкл Г. Хилл. Ленгмюр 1998 14 (24), 6781-6784. DOI: 10.1021/la980874n
- ^ Динамическое электрическое переключение слоев ДНК на металлической поверхности. Ульрих Рэнт, Кендзи Аринага, Сёдзо Фудзита, Наоки Ёкояма, Герхард Абстрайтер и Марк Торнов. Nano Letters 2004 4 (12), 2441-2445. DOI: 10.1021/nl0484494
- ^ Jump up to: а б Шосеев О. и Леви Илан. (2008). НаноБиоТехнологии: биоинспирированные устройства и материалы будущего. 10.1007/978-1-59745-218-2.
- ^ Келли С.О., Джексон Н.М., Хилл М.Г., Бартон Дж.К. Перенос электронов на большие расстояния через пленки ДНК. Angew Chem Int Ed Engl. 1999;38(7):941-945. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(19990401)38:7<941::AID-ANIE941>3.0.CO;2-7
- ^ Мурен Н.Б., Олмон Э.Д., Бартон Дж.К. Платформы из растворов, поверхностей и одиночных молекул для изучения ДНК-опосредованного переноса заряда. Физ хим хим физ. 2012;14(40):13754-13771. дои: 10.1039/c2cp41602f
- ^ Ченс, Р.Р., Прок, А. и Силби, Р. (1978). Молекулярная флуоресценция и перенос энергии вблизи границ раздела. В книге «Достижения химической физики» (под ред. И. Пригожина и С. А. Райс). https://doi.org/10.1002/9780470142561.ch1
- ^ Перссон, Бо. (2001). Теория затухания возбужденных молекул, находящихся над поверхностью металла. Журнал физики C: Физика твердого тела. 11. 4251. 10.1088/0022-3719/20.11.020.
- ^ Бек Г., Эннифар Э. Технология switchSENSE для анализа кинетики ДНК-полимеразы. Методы Мол Биол. 2021;2247:145-153. doi:10.1007/978-1-0716-1126-5_8
- ^ Рэнт Ю (2012). «Зондирование с помощью электропереключаемых биоповерхностей». Биоаналитические обзоры. 4 (2–4): 97–114. doi:10.1007/s12566-012-0030-0. S2CID 97122344.
- ^ Штрассер Р., Шолль Д., Хампель П. и др. Измерение молекулярного взаимодействия с помощью динамических поверхностных датчиков. Биоспектр 18, 724–726 (2012). https://doi.org/10.1007/s12268-012-0252-2
- ^ Сенднер, К., Ким, Ю.В., Рэнт, У., Аринага, К., Торнов, М. и Нетц, Р.Р. (2006), Динамика молекул ДНК с привитыми концами и возможные применения биосенсоров. физ. стат. соль. (а), 203: 3476-3491. https://doi.org/10.1002/pssa.200622444
- ^ Клери А, Сохье TJM, Вельте Т, Лангер А, Аллен FHT. SwitchSENSE: новая технология изучения взаимодействий белок-РНК. Методы. 2017;118-119:137-145. doi:10.1016/j.ymeth.2017.03.004
- ^ Велюр, К., Омон-Никез, М., Юбель, С. и др. Макромолекулярные взаимодействия in vitro, сравнение классических и новых подходов. Eur Biophys J 50, 313–330 (2021). https://doi.org/10.1007/s00249-021-01517-5
- ^ Дрозд М., Карон С., Малиновска Э. Последние достижения в области разработки рецепторного слоя для применения в иммунодиагностике на основе SPR. Датчики (Базель). 2021;21(11):3781. Опубликовано 29 мая 2021 г. doi:10.3390/s21113781