Szintetikus receptorokon és nanoszerkezeteken
alapuló kémiai és bioszenzorok
Gyurcsányi E. Róbert
Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Analitikai információ
Érzékelés
Jelátalakítás Molekuláris felismerés Minta
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
Antigén-antitest
A-B O O
N N
H
H
- +
Hidrogén híd
Elektrosztatikus
Van der Waals
Hidrofób
- + + -
Antigén Antitest
antitest
antigén
Molekuláris felismerés
Detektálás
Jelzett antigén
Szilárd hordozóhoz kötött antitest
Jelzett antitest
+ +
Meghatározandó antigén
Szendvics eljárás
Jelölés
Nanoszerkezetek, Szintetikus ligandumok?
Nanoszerkezetek
Stabilitás Reprodukálhatóság Fizikai /kémiai tulajdonságok tetszőleges beállítása Költségek csökkentése
Szintetikus receptorok
molekuláris szintű kontroll (jelátalakítás) egy-molekula kimutatása jelölés nélküli detektálás
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
Gyurcsányi RE. Chemically-modified nanopores for sensing. Trac-Trends In Analytical Chemistry 2008;27(7):627-639.
(Inter-events interval)
(Event lifetime)
Stochastic sensing
Molecular counting No use Direct affinity assays
Pórus átmérő
dp
I E
+ -
-
-
-
-
+ +
+
+
+
+
+
- -
- -
-
-
- + +
+
+
ssDNS: ~1.5 nm 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
2-60 % a pórus átmérőnek
Nem csak a méret számít ! Fontos a felületi töltés, kémiai összetétel, pórus
geometria is.
Pórus
Arany nanopórus sorok
Kvarc nanopipetták
Nanofabrikációs módszerek
4.32 µm
1.08 µm
0.1 µm
3:10
Arany nanopórusok kémiai szintézissel
Kvarc nanopipetták
2 m
Gaston Crespo PhD. thesis
Egy-nanopórus (FIB)
DNS meghatározás
Nano Letters 2007;7(6):1609-1612.
Az aranynanocsövek módosítása
S
OH
S
NH
O
O
NH2
O
O
NH
NBase
O ONH
NBase
O ONH
NBase
O O
S
OH
S
OH
S
NH
O
O
NH2
O
O
NH
NBase
O ONH
NBase
O ONH
NBase
O O
Arany nanopórusos membrán
S
O OO O
O O
OH
S
O OO O
O O
OH
S
O OO O
O O
OH
Biokompatibilis tiol
PNS/MH
Nanopórus
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).
Tuerk és Gold, 1990.
Science 249, pp. 505–510
Ellington és Szostak, 1990. Nature 346, pp. 818–822
1:1010 kis molekulatömegű komponens esetében
SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment)
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)
Archemics Corp.
Macugen: Korfüggő makula degeneráció nedves formájának gyógyítására (1,4 milliárd $)
24
ASPV (Apple Stem Pitting Virus)
Aminosav szekvenciák homológiája: 80%
25
Aptamerek
Önrendezödő monorétegek
SH OO
OOH
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
Biosensing with conically shaped nanopores and nanotubes. Physical Chemistry Chemical Physics 2006;8(43):4976-4988.
a b c d
0 2 4 6 8 10 12 140.0
2.0x10-18
4.0x10-18
6.0x10-18
8.0x10-18
1.0x10-17
1.2x10-17
1.4x10-17
1.6x10-17
1.8x10-17
+0.05 V/nm
-0.05 V/nm
Q / C
time / ns
0 5 10 15 200.0
2.0x10-18
4.0x10-18
6.0x10-18
8.0x10-18
1.0x10-17
1.2x10-17
Q /
Ctime / ns
0.05 V/nm
-0.05 V/nm
10-12 mol cm-2 10-11 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
15
p
4.1 10t
C D r
B
mol6π
k TD
r
9 mol
p
1.7 10r
tr C
mol pif r r
1C nM
1.7t s
mol pif r r
1C pM
1700t s
Elektromos fókuszálás
Nernst-Planck-Poisson
0.1 V
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450.01
0.1
1
t / s
r / nm
0.1 0.20exp 0.19U t U
0.1 0.0175U t U
Kimutatási határ – találkozás valószínűsége
10-14
10-13
10-12
10-11
10-10
10-9
0.01
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
t / s
C / M
Számlálás, bekötödés modellezése
Módosított arany nanopórus
-O3S
Ag+
F
F
F
< 5 nm
F F F F F F F
F F F F
F F F
Permszelektivitás
Ionszelektivitás
Hidrofobicitás
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
-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
150
200
250
300
350
400
450
500
550
0 5 10 15 20 25
200
300
400
500
6.810-9 M
E (
mV
)
log aAg
+
59.16 mV/dekád
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
E (
mV
)
time (min)
10-10
Molekuláris lenyomatú polimerek
-Homogén és hozzáférhető kötőhelyek -Viszonylag vékony polimerréteg -Olyan polimer anyag amelyen nem lép fel nem specifikus adszorpció
Makromolekulák szelektív felismerése
(Molecularly imprinted polymer-MIP)
Felületi lenyomatú polimerek
Elektromosan vezető polimer
EDOT (0.01 M)/NaPSS(0.025 M)
5Hz between 0.2 and 1.1 V for 5000 cycles
Felületi lenyomatú polimerek
Szelektív protein felismerés
Menaker, A., Syritski, V., Reut, J., Öpik, A., Horváth, V., Gyurcsányi, R.E., Electrosynthesized Surface-
Imprinted 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. Vitali Syritski, Észtország Dr. Tom Lindfors, Finnország
Dr. Mészáros Tamás (SOTE) Dr. Fürjes Péter (MFA)
Dr. Horváth Viola, Giorgio Ceolin