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