DNA-origami parantaa sähkökemiallisen bioanturin suorituskykyä

Sähkökemialliset DNA-bioanturit ovat osoittautuneet erittäin lupaaviksi erilaisten sairauksien tarkkailussa. Niitä voidaan käyttää laajasti erilaisten DNA-analyyttien havaitsemiseen, aina bakteerigeeneistä ja syöpäkasvainsekvensseistä kliinisesti merkityksellisiin SARS CoV-2 -biomarkkeripitoisuuksiin asti. Tällaisten järjestelmien tarvittavan herkkyyden ja selektiivisyyden saavuttaminen ja niiden muuntaminen laboratoriokäytöstä kliiniseen ympäristöön on kuitenkin haastavaa, sillä näihin menetelmiin liittyy usein monimutkaista kemiaa, sähkökemiallisia merkkiaineita, teknisesti haastavia materiaaleja tai monivaiheisia prosesseja.

Aalto-yliopiston ja Strathclyden yliopiston (Strathclyde University, Glasgow, UK) tutkijaryhmä on löytänyt keinon parantaa sähkökemiallisten DNA-antureiden herkkyyttä merkittävästi käyttämällä modulaarisia DNA-nanorakenteita niiden uusina komponentteina. Tutkijat yhdistivät perinteisiä DNA-pohjaisia anturitekniikoita ohjelmoitaviin DNA-origamirakenteisiin luodakseen anturin, jolla on merkittävästi tehostettu selektiivisyys ja havaintoherkkyys.

”Käytännössä lähdimme liikkeelle melko yksinkertaisesta ja tavallisesta DNA-bioanturityypistä. Kyseessä on analyyttiliuokseen upotettu elektrodijärjestelmä, jossa anturielektrodi on päällystetty yksijuosteisilla DNA-koettimilla, jotka ovat komplementaarisia haluttujen (yksijuosteisten) DNA-kohdesekvenssien kanssa. Kun tutkittava kohdejuoste sitoutuu koettimen kanssa, elektrodin lähellä olevat sähkövaraukset siirtyvät hieman, eli voimme nähdä muutoksen sähkökemiallisessa signaalissa”, kertoo tohtoriopiskelija Petteri Piskunen Aalto-yliopistosta, yksitutkimuksen kirjoittajista.

”Tässä vaiheessa DNA-origami-nanorakenteet astuvat mukaan kuvaan. Varustimme laattamaisen DNA-origamin juosteilla, jotka voivat tehokkaasti ja selektiivisesti sitoutua halutun kohdesekvenssin yhden pään kanssa, samalla kun kohteen toinen pää sitoutuu koettimeen.  Luomme siis kerroksellisen kompleksin, jossa kohde jää elektrodin ja DNA-origamin väliin. Normaalisti havaittavan vain pienen muutoksen sijaan näemmekin nyt vahvistetun signaalin muutoksen kohteen sitoutuessa anturiin, koska sähkövaraukset liikkuvat enemmän suhteellisen kookkaan DNA-origamin takia”, Piskunen jatkaa.

”Testasimme sensoriamme käytännössä havaitsemalla geenifragmentin antibiooteille vastustuskykyisistä bakteereista. Pystyimme selektiivisesti löytämään tämän kohteen melko kompleksisesta liuoksesta, jossa oli useita erilaisia yksijuosteisia DNA-tyyppejä lyhyistä sekvensseistä ja satunnaisfragmenteista pitkiin rengasmaisiin DNA-juosteisiin. Anturimme avulla pystyimme luotettavasti havaitsemaan 100–1000 kertaa pienempiä kohdepitoisuuksia kuin mihin perinteisillä tekniikoilla kyetään”, kertoo vieraileva tutkija Veikko Linko, joka on tällä hetkellä apulaisprofessorina (Associate Professor) Tarton yliopistossa Virossa.

”On rohkaisevaa ajatella, että yhdistämällä monipuoliset DNA-origamit esimerkiksi tulostettaviin ja kertakäyttöisin elektrodeihin, voisimme luoda merkkiainevapaita anturilaitteita, jotka ovat näin herkkiä ja tarkkoja. Tämä tarkoittaa, että tekniikkamme on matkalla kohti massatuotettavuutta ja laajaa sovellettavuutta vierianalytiikan työkaluna. Jatkamme parhaillaan yhteistyötä Strathclyden yliopiston kanssa anturikokoonpanon yleistämiseksi, jotta sitä voitaisiin käyttää erityyppisten biomarkkereiden kanssa”, Linko sanoo lopuksi.

Linkki:

Artikkeli: P. Williamson, et al. “Signal Amplification in Electrochemical DNA Biosensors Using Target-Capturing DNA Origami Tiles.”

ACS Sensors (2023), DOI: 10.1021/acssensors.2c02469

Tulokset on julkaistu ACS Sensors -aikakausjulkaisussa maaliskuussa 13.3.2023 (avoimesti saatavilla): https://doi.org/10.1021/acssensors.2c02469

Artikkeli on myös valittu ylimääräiseksi lehden kanneksi tulevaan ACS Sensors -julkaisun numeroon.

Lisätietoja:

Väitöskirjatutkija Petteri Piskunen, Biohybridimateriaalien tutkimusryhmä, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu
petteri.piskunen@aalto.fi

Apulaisprofessori (Associate Professor) Veikko Linko, Institute of Technology, Tarton yliopisto, Viro, Puh. +358 45 673 9997, veikko.pentti.linko@aalto.fi

Vieraileva tutkija, Biohybridimateriaalien tutkimusryhmä, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu, veikko.linko@aalto.fi

Tutkimusta ovat rahoittaneet Emil Aaltosen säätiö, Jane ja Aatos Erkon säätiö, Sigrid Juséliuksen säätiö, Magnus Ehrnroothin säätiö, Suomen Kulttuurirahasto (Kalle ja Dagmar Välimaan rahasto), ERA Chair Matter (EU:n Horisontti 2020 -sopimus nro 856705), EPSRC DTP (apuraha EP/R513349/1) sekä Suomen Akatemian Huippuyksikköohjelman (2022−2029) Elävien toimintojen innoittamat hybridimateriaalit -huippuyksikkö (Life Inspired Hybrid Materials LIBER, projektinumero 346110).

Tämän työn perusteella on haettu patenttia.