Szintetikus receptorokon és nanoszerkezeteken alapuló kémiai és bioszenzorok
Gyurcsányi E. Róbert
Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Érzékelés Minta
Molekuláris felismerés
Jelátalakítás
Analitikai információ Kémiai információ
Gazdasági jelentőség
15 milliárd dollár
Star Trek (2369) TR-580 Medical Tricoder
„The medical tricorder is used by doctors to help diagnose diseases and collect bodily information about a patient; the key difference between this and a standard tricorder is a detachable hand-held high-resolution scanner stored in a compartment of the tricorder when not in use.”
Helyszíni mérés- gyors válasz – gyors döntés
Kémiai és bioszenzorok
Molekuláris felismerés Antigén
Antigén-antitest Antitest
Hidrogén A-B híd
H
O N
O N
H
Elektrosztatikus
+
-
Van der Waals
-
+
Hidrofób
antitest
antigén
+
-
Detektálás Jelölés Szendvics eljárás
+
Meghatározandó antigén Jelzett antigén
+
Szilárd hordozóhoz kötött antitest Jelzett antitest
Nanoszerkezetek, Szintetikus ligandumok?
Nanoszerkezetek molekuláris szintű kontroll (jelátalakítás) egy-molekula kimutatása jelölés nélküli detektálás
Szintetikus receptorok
Stabilitás Reprodukálhatóság Fizikai /kémiai tulajdonságok tetszőleges beállítása Költségek csökkentése
Kutatási témák Nanopórusos detektálás Aptamer-nanoszerkezetek Felületi lenyomatú polimerek
Nanopórusos érzékelés
Elméleti kutatás (sztochasztikus érzékelés, durva szemcsézettségű modellezés) Proteinek meghatározása aptamer módosított nanopórusokkal Vírusok szelektív meghatározása és számlálása
Ultragyors DNS szekvenálás (1000 $- 1h)
http://golgi.harvard.edu/branton/index.htm
Szintetikus nanopórusok alkalmazása érzékelésre + + + + + + + + -
+ + + + + + + + + -
-
+
-
+ + + - + + + + -
-
-
-
+ + + + + + + + -
-
-
-
A célvegyület modulálja a pórus nyitást /zárást, ( Inger) A detektált marker koncentrációja sok nagyságrenddel meghaladja a célvegyületét (Jelerősítés) Jelölés nélküli módszer
Érzékelési sémák
Molecular counting
Stochastic sensing
No use
Direct affinity assays
(Inter-events interval)
(Event lifetime)
Gyurcsányi RE. Chemically-modified nanopores for sensing. Trac-Trends In Analytical Chemistry 2008;27(7):627-639.
Pórus átmérő E
-
+ + -
+
-
-
dp +
+ +
+ -
+
+ + -
-
I
+
+
-
Nem csak a méret számít ! Fontos a felületi töltés, kémiai összetétel, pórus geometria is.
ssDNS: ~1.5 nm 2-60 % a pórus átmérőnek dsDNS (2 nm): ~ 2.5 nm Proteinek (~1.5-11): 2nm –több tíz nm lysozyme (15.1 kDa, rH=1.9 nm, BSA (66 kDa, rH=3.6 nm), IgG (150 kDa, rH= 5.5 nm) Virusok (5-300 nm): 10 nm- 1 m
Pórus
Arany nanopórus sorok Kvarc nanopipetták Nanofabrikációs módszerek
Arany nanopórusok kémiai szintézissel 3:10 1.08 µm
4.32 µm
0.1 µm
Kvarc nanopipetták
2 m
Gaston Crespo PhD. thesis
Egy-nanopórus (FIB)
DNS meghatározás
Nano Letters 2007;7(6):1609-1612.
Az aranynanocsövek módosítása O
N
Base
O HN
O HN O N Base
O
HN O
O O OH OH
O NH
OH O O NH
NH2 S
PNS/MH
HN
O O
O N
Base
N
Arany nanopórusos membrán
HN
O
O
O N
Base
HN
O
Base
O
O N
Base
S
Biokompatibilis tiol
NH2 S
S
S S S S
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O O
Nanopórus
O
O
O
O
O
O
OH OH
O
OH
Aptamerek DNS vagy RNS molekula amely egy adott célvegyület nagy affinitású, szelektív megkötésére alkalmas. A célvegyület lehet makromolekula (pl. fehérje), de kis molekulatömegű vegyület is (pl. metabolit, toxin). SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment)
Tuerk és Gold, 1990. Science 249, pp. 505–510
Ellington és Szostak, 1990. Nature 346, pp. 818–822
1:1010 kis molekulatömegű komponens esetében
Aptamerek •
• • • •
Stabilitás liofilizált készítmény(évek), oldatban (hónapok), szérumban (percek), ugyanakkor nem természetes terminális módosítások ellenállóvá teszik az exonuklezázokkal szemben a kiürülés lassítható a molekulatömeg növelésével nincs erős immunogén hatása nem toxikus gyógyszerek célzott bevitele (pl. kemoterápiás gyógyszerek/toxinok) Macugen: Korfüggő makula degeneráció nedves formájának gyógyítására (1,4 milliárd $)
Archemics Corp.
ASPV (Apple Stem Pitting Virus)
Aminosav szekvenciák homológiája: 80%
24
Aptamerek
25
Önrendezödő monorétegek
HS
O
O O
OH
Aptamer biochip
ASPV fertőzött minták
Új aptamerek Troponin I Baromfipestis (vírus) (oltóanyaggyártás)
Procalcitonin , CRP (bakteriális vs. vírusos fertőzés) Stb.
Electromechanical gating effects at DNA-modified nanopores -17
1.8x10
+0.05 V/nm -0.05 V/nm
-17
1.6x10
-17
1.4x10
-17
Q/C
1.2x10
-17
1.0x10
-18
8.0x10
-18
6.0x10
-18
4.0x10
-18
2.0x10 0.0 0
2
4
6
8
10
12
14
time / ns -17
1.2x10
0.05 V/nm -0.05 V/nm
-17
1.0x10
-18
Q/C
8.0x10
-18
6.0x10
-18
4.0x10
-18
2.0x10
Biosensing with conically shaped nanopores and nanotubes. Physical Chemistry Chemical Physics 2006;8(43):4976-4988.
0.0 0
5
10
15
20
time / ns
a
10-11 mol cm-2
b
c
d
10-12 mol cm-2
Höfler, L., Gyurcsányi, R.E., 2008. Coarse grained molecular dynamics simulation of electromechanically-gated DNA modified conical nanopores. Electroanalysis 20(3), 301-307.
Kimutatási határ
DNA
if
4.11015 t C D rp
t 1.7 s
t 1.7 109 D
kBT 6π rmol
rmol rp C 1 nM
rmol rpC if
rmol rp t 1700 s C 1 pM
Elektromos fókuszálás 0.1 V
Nernst-Planck-Poisson 1
t/s
U 0.1 0.1
0.01
U 0.1
0
5
10
15
20
25
r / nm
30
35
40
45
t 0.20exp U 0.19
t 0.0175 U
Kimutatási határ – találkozás valószínűsége
100000 10000 1000
t/s
100 10 1 0.1 0.01 -14
10
-13
10
-12
10
-11
10
C/M
-10
10
-9
10
Számlálás, bekötödés modellezése
Módosított arany nanopórus
Permszelektivitás
Ionszelektivitás
Hidrofobicitás
-O S 3
< 5 nm
Ag+
F
F FFF F F FF F FFF
FF FF
Jagerszki G, Takács Á, Bitter I, Gyurcsányi RE. Solid-state ion channels for potentiometric sensing. Angew. Chem. Int. Edit. 2011; (anie.2010038499).
Potenciometriás Ag+ szenzor -3
550
10
500
-4
500 450
E (mV)
10
E (mV)
400 350
-5
10
400
-6
10 -7
300
10 -8 -10 10-9 10
10
200
0
5
10 15 time (min)
20
25
300 250
59.16 mV/dekád
200 -9
6.810 M
150 -11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
log aAg
+
-4
-3
-2
-1
Molekuláris lenyomatú polimerek (Molecularly imprinted polymer-MIP)
Makromolekulák szelektív felismerése
-Homogén és hozzáférhető kötőhelyek -Viszonylag vékony polimerréteg -Olyan polimer anyag amelyen nem lép fel nem specifikus adszorpció
Felületi lenyomatú polimerek EDOT (0.01 M)/NaPSS(0.025 M) 5Hz between 0.2 and 1.1 V for 5000 cycles
Elektromosan vezető polimer
Felületi lenyomatú polimerek
Szelektív protein felismerés
Menaker, A., Syritski, V., Reut, J., Öpik, A., Horváth, V., Gyurcsányi, R.E., Electrosynthesized SurfaceImprinted Conducting Polymer Microrods for Selective Protein Recognition. Advanced Materials 2009, 21(22), 2271-2275.
Felületi lenyomat fotolitográfiával
Felületi lenyomatú mágneses nanorudak
Pedot-PSS-mágneses nanokompozit
Jágerszki Gyula
Szűcs Júlia
Lautner Gergely
Dr. Mészáros Tamás (SOTE) Dr. Fürjes Péter (MFA)
Dr. Vitali Syritski, Észtország Dr. Tom Lindfors, Finnország Dr. Horváth Viola, Giorgio Ceolin
