Un gruppo di ricerca interdisciplinare di Bochum, Duisburg e Zurigo ha sviluppato un nuovo approccio per costruire sensori ottici modulari in grado di rilevare virus e batteri. I ricercatori hanno utilizzato nanotubi di carbonio fluorescenti con un nuovo tipo di ancoraggi del DNA che agiscono come maniglie molecolari.
Le strutture di ancoraggio possono essere utilizzate per coniugare unità di riconoscimento biologico come aptameri di anticorpi ai nanotubi. L'unità di riconoscimento può successivamente interagire con le molecole batteriche o virali dei nanotubi. Queste interazioni influenzano la fluorescenza dei nanotubi e ne aumentano o diminuiscono la luminosità.
Un team composto dal professor Sebastian Kruss, Justus Metternich e quattro collaboratori dell'Università della Ruhr di Bochum (Germania), dell'Istituto Fraunhofer per circuiti e sistemi microelettronici e dell'ETH di Zurigo ha riportato i risultati sul Journal of the American Chemical Society , pubblicato online il 27 giugno 2023.
Il team ha utilizzato nanosensori tubolari realizzati in carbonio e con un diametro inferiore a un nanometro. Quando irradiati con luce visibile, i nanotubi di carbonio emettono luce nella gamma del vicino infrarosso. La luce del vicino infrarosso non è visibile all’occhio umano. Tuttavia, è perfetto per le applicazioni ottiche, perché il livello degli altri segnali in questa gamma è molto ridotto.
In studi precedenti, il team di Sebastian Kruss aveva già dimostrato come la fluorescenza dei nanotubi possa essere manipolata per rilevare biomolecole vitali. Ora, i ricercatori hanno cercato un modo per personalizzare i sensori di carbonio da utilizzare con diverse molecole target in modo semplice.
La chiave del successo sono state le strutture del DNA con i cosiddetti difetti quantistici della guanina. Ciò comportava il collegamento delle basi del DNA al nanotubo per creare un difetto nella struttura cristallina del nanotubo. Di conseguenza, la fluorescenza dei nanotubi è cambiata a livello quantistico. Inoltre, il difetto ha agito come un manico molecolare che ha permesso di introdurre un'unità di rilevamento, che può essere adattata alla rispettiva molecola bersaglio allo scopo di identificare una specifica proteina virale o batterica.
"Grazie al collegamento dell'unità di rilevamento agli ancoraggi del DNA, l'assemblaggio di un tale sensore assomiglia a un sistema di elementi costitutivi, tranne per il fatto che le singole parti sono 100.000 volte più piccole di un capello umano", afferma Sebastian Kruss.
Il gruppo ha presentato il nuovo concetto di sensore utilizzando come esempio la proteina spike SARS CoV-2. A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato aptameri che si legano alla proteina spike della SARS CoV-2. "Gli aptameri sono filamenti ripiegati di DNA o RNA. Grazie alla loro struttura possono legarsi selettivamente alle proteine", spiega Justus Metternich. "Nel passo successivo si potrebbe trasferire il concetto agli anticorpi o ad altre unità di rilevamento."
I sensori fluorescenti hanno indicato la presenza della proteina SARS-CoV-2 con un alto grado di affidabilità. La selettività dei sensori con difetti quantistici della guanina era superiore alla selettività dei sensori senza tali difetti. Inoltre, i sensori con difetti quantistici della guanina erano più stabili in soluzione.
"Questo è un vantaggio se si pensa alle misurazioni che vanno oltre le semplici soluzioni acquose. Per le applicazioni diagnostiche, dobbiamo misurare in ambienti complessi, ad esempio con le cellule, nel sangue o nell'organismo stesso", afferma Sebastian Kruss, responsabile delle interfacce funzionali e Biosystems Group presso l'Università della Ruhr di Bochum ed è membro del Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) e della International Graduate School of Neuroscience.
Ulteriori informazioni: Justus T. Metternich et al, Biosensori fluorescenti nel vicino infrarosso basati su ancoraggi di DNA covalente, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03336
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito da Ruhr-Universitaet-Bochum
