Entwicklung markerfreier Biosensortechniken mittels AFM-basierter Einzelmolekül-Kraftspektroskopie

• Antragsteller: Dr. Gang Wei
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276102850

Einzelmolekül-Kraftspektroskopie (SMFS), die auf der klassischen atomaren Mikroskopie (AFM) basiert, hat sich zu einer Routinetechnik bei der Messung von molekularen Wechselwirkungen im Bereich von mehreren 10 pN entwickelt. Die Kraft in dieser Größenordnung entspricht dem Brechen von wenigen einzelnen Wasserstoffbrücken. Wie wir bereits in einer aktuellen Kurzpublikation zeigen konnten, machen die einfache Handhabung sowie die hohe Sensitivität von SMFS diese Methode zu einem vielversprechenden Handwerkszeug für die Detektion von spezifischen (Bio)Analyten ohne auf zusätzliche Markermoleküle zurückgreifen zu müssen. In diesem Projekt soll die Möglichkeit der Anwendung von SMFS als eine markerfreie Biosensormethode anhand von drei Strategien ausgetestet und etabliert werden. Alle drei Methoden basieren auf der kovalenten Funktionalisierung der AFM-Tips mit spezifischen Linkermolekülen. Die erste Strategie beruht auf der Untersuchung der Veränderungen der durchschnittlichen Anziehungskraft zwischen einem Aptamer-funktionalisierten AFM-Tip und einem passiven, festen Substrat (typischerweise eine Graphitoberfläche) durch die Anwesenheit von Analyten mit großer Affinität zu den Aptameren. Die zweite Strategie basiert auf der messbaren Änderung der Kraft zwischen einer Linker-DNA (Aptamer) und funktionalisierten Goldoberflächen mit komplementärem Strang. In Anwesenheit der Analyte soll die Hybridisierung der DNA verhindert oder zumindest messbar verringert werden. In der dritten Strategie ist auf der Tip-Seite ein Oligopeptid mit Biotin als Endgruppe angebunden. Die starke Wechselwirkung zwischen Biotin und dem auf einer Oberfläche immobilisierten Protein Avidin erzeugt eine konstante Kraft. In Anwesenheit von Proteasen wird diese Kraft aufgehoben, sobald der Oligomerstrang geschnitten wird. Die ersten beiden Strategien zielen auf die Detektion von Metallionenverunreinigungen (Hg2+, Co2+ oder Pb2+) und Medikamentmolekülen (Kokain und Adenosinderivate) ab. In der dritten Strategie soll die Anwesenheit von Thrombin nachgewiesen werden. Alle drei Methoden ermöglichen eine Sensoranwendung von kleinsten Konzentrationen (10 bis 100 pM). Mit Blick auf mögliche Anwendungen als Biosensoren sollen in diesem Projekt die drei Strategien zu einem Maximum an Selektivität und einem Minimum der Nachweisgrenze optimiert werden. Zusätzlich erwarten wir anhand der durchgeführten Experimente ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkung zwischen DNA-Aptameren und Graphit/Wasser-Grenzflächen zu erlangen. Alle Erkenntnisse zusammen sollen schließlich dazu führen, diese Methode auf ein breiteres Spektrum an Biosensoren anzuwenden, um die markerfreie Detektion von giftigen Substanzen in verunreinigtem Wasser, Rauschgifte, Enzyme und Viren zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen