Usando un approccio chiamato DNA Origami, gli scienziati di Caltech hanno sviluppato una tecnica che potrebbe portare a sensori biomarcatori più economici e riutilizzabili per rilevare rapidamente le proteine nei fluidi corporei, eliminando la necessità di inviare campioni ai centri di laboratorio per il test.
“Il nostro lavoro fornisce una prova del concetto che mostra un percorso a un metodo a passo singolo che potrebbe essere utilizzato per identificare e misurare acidi e proteine nucleici”, afferma Paul Rothemund (BS ’94), un associato in visita a Caltech nel calcolo e Scienze matematiche, calcolo e sistemi neurali.
Un documento che descrive l’opera recentemente è apparso sulla rivista Atti della National Academy of Sciences. Gli autori principali del documento sono l’ex studioso post-dottorato di Caltech Byoung-Jin Jeon e l’attuale studente laureato Matteo M. Guareschi, che hanno completato il lavoro nel laboratorio di Rothemund.
Nel 2006, Rothemund ha pubblicato il primo articolo su DNA Origami, una tecnica che fornisce un controllo semplice ma squisito sulla progettazione di strutture molecolari in nanoscala usando nient’altro che il DNA.
Essenzialmente il DNA origami consente a lunghi fili di DNA di piegare, attraverso l’autoassemblaggio, in qualsiasi forma desiderata. (Nell’articolo del 2006, Rothemund ha usato notoriamente la tecnica per creare facce di faccine del DNA in miniatura che misurano 100 nanometri attraverso e spessi 2 nanometri). I ricercatori iniziano con un lungo filo di DNA, l’impalcatura, in soluzione. Poiché le basi nucleotidiche che compongono il DNA si legano in modo noto (l’adenina si lega alla timina e la guanina si lega alla citosina), gli scienziati possono aggiungere centinaia di brevi sequenze di DNA complementare sapendo che si legaranno al salone su entrambe le estremità in località conosciute . Quei pezzi brevi e aggiunti di DNA piegano l’impalcatura e gli danno forma, agendo come “graffette” che tengono insieme la struttura. La tecnica può quindi essere utilizzata per creare forme che vanno da una mappa del Nord e del Sud America ai transistor in nanoscala.
Nel nuovo lavoro, Rothemund e i suoi colleghi hanno usato il DNA Origami per creare una struttura simile a un lilypad-una superficie piatta e circolare di circa 100 nanometri di diametro, legata da un linker del DNA a un elettrodo d’oro. Sia il lilypad che l’elettrodo hanno fili di DNA corti disponibili per legarsi con un analita, una molecola di interesse per la soluzione, che si tratti di una molecola di DNA, una proteina o un anticorpo. Quando l’analita si lega a quei fili corti, il lilypad viene tirato giù sulla superficie dell’oro, portando 70 molecole reporter sul lilypad (che indicano che la molecola mirata è presente) a contatto con la superficie dell’oro. Questi giornalisti sono molecole reattive redox, il che significa che possono facilmente perdere elettroni durante una reazione. Quindi, quando si avvicinano sufficientemente a un elettrodo, si può osservare una corrente elettrica. Una corrente più forte indica che è presente più molecola di interesse.
In precedenza, un approccio simile alla creazione di biosensori era stato sviluppato utilizzando un singolo filamento di DNA piuttosto che una struttura origami di DNA. Quel lavoro precedente era guidato da Kevin W. Plaxco (PhD ’94) di UC Santa Barbara, che è anche autore dell’attuale documento.
Il Guareschi di Caltech sottolinea che il nuovo origami Lilypad è grande rispetto a un singolo filamento di DNA. “Ciò significa che può adattarsi a 70 giornalisti su una singola molecola e tenerli lontani dalla superficie prima del legame. Quindi quando l’analita è legato e il lilypad raggiunge l’elettrodo, c’è un grande guadagno del segnale, rendendo facile il cambiamento da rilevare”, ” Dice Guareschi.
La dimensione relativamente grande dell’origami Lilypad significa anche che il sistema può facilmente ospitare e rilevare molecole più grandi, come grandi proteine. Nel nuovo documento, il team ha mostrato che i due corti fili di DNA sul lilypad e la superficie dell’oro potevano essere usati come adattatori, rendendolo un sensore per le proteine piuttosto che per il DNA. Nel lavoro, i ricercatori hanno aggiunto la biotina di vitamina a quei corti fili di DNA per trasformare il sistema in un sensore per la streptavidina proteica. Quindi hanno aggiunto un aptamer di DNA, un filamento di DNA che può legarsi a una proteina specifica; In questo caso, hanno usato un aptamero che si lega a una proteina chiamata fattore di crescita derivato dalle piastrine BB (PDGF-BB), che potrebbe essere usato per aiutare a diagnosticare malattie come la cirrosi e la malattia infiammatoria intestinale.
“Aggiungiamo semplicemente queste semplici molecole al sistema ed è pronto a percepire qualcosa di diverso”, afferma Guareschi. “È abbastanza grande da accogliere qualunque cosa tu lo lanci – che potrebbero essere aptameri, nanobodies, frammenti di anticorpi – e non deve essere completamente ridisegnato ogni volta.”
I ricercatori mostrano anche che il sensore può essere riutilizzato più volte, con nuovi adattatori aggiunti ogni round per rilevamenti diversi. Sebbene le prestazioni si degradano leggermente nel tempo, l’attuale sistema potrebbe essere riutilizzato almeno quattro volte.
In futuro, il team spera che il sistema possa essere utile anche per la proteomica: studi che determinano quali proteine sono in un campione e a quali concentrazioni. “Potresti avere più sensori contemporaneamente con analiti diversi, e quindi potresti fare un lavaggio, cambiare gli analiti e rimuovere. E potresti farlo più volte”, afferma Guareschi. “Nel giro di poche ore, è possibile misurare centinaia di proteine usando un singolo sistema.”
Ulteriori autori del documento, “Rilevazione elettrochimica a base di origami DNA di DNA e proteine”, sono Jaimie M. Stewart dell’UCLA; Emily Wu e Ashwin Gopinath del MIT, Netzahualcóyotl Arroyo-Currás della Johns Hopkins University School of Medicine, Philippe Dauphin-Ducharme dell’Université de Sherbrooke in Canada; e Philip S. Lukeman della St. John’s University di New York.
Il team ha utilizzato attrezzature di fabbricazione presso il Kavli Nanoscience Institute di Caltech. Il lavoro è stato supportato dall’Esercito Research Office, dall’Office of Naval Research, dalla National Science Foundation e dalla Life Sciences Research Foundation supportata da Merck Research Laboratories.
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