Szintetikus receptorokon és nanoszerkezeteken alapuló kémiai és bioszenzorok Gyurcsányi E. Róbert

Átírás

1 Szintetikus receptorokon és nanoszerkezeteken alapuló kémiai és bioszenzorok Gyurcsányi E. Róbert Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

2 Érzékelés Minta Molekuláris felismerés Jelátalakítás Analitikai információ Kémiai információ

3 Gazdasági jelentőség 15 milliárd dollár

4 Star Trek (2369) TR580 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 handheld highresolution scanner stored in a compartment of the tricorder when not in use.

5 Helyszíni mérés gyors válasz gyors döntés

6 Kémiai és bioszenzorok

7 Molekuláris felismerés Antigénantitest Antigén Antitest Hidrogén AB híd N Elektrosztatikus H H N Van der Waals Hidrofób antitest antigén

8 Detektálás Jelölés Szendvics eljárás Meghatározandó antigén Jelzett antigén Szilárd hordozóhoz kötött antitest Jelzett antitest

9 Nanoszerkezetek, Szintetikus ligandumok? Nanoszerkezetek molekuláris szintű kontroll (jelátalakítás) egymolekula kimutatása jelölés nélküli detektálás Szintetikus receptorok Stabilitás Reprodukálhatóság Fizikai /kémiai tulajdonságok tetszőleges beállítása Költségek csökkentése

10 Kutatási témák Nanopórusos detektálás Aptamernanoszerkezetek Felületi lenyomatú polimerek

11 Nanopórusos érzékelés Elméleti kutatás (sztochasztikus érzékelés, durva szemcsézettségű modellezés) Proteinek meghatározása aptamer módosított nanopórusokkal Vírusok szelektív meghatározása és számlálása

12 Ultragyors DNS szekvenálás (1000 $ 1h)

13 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

14 Érzékelési sémák Molecular counting No use Direct affinity assays Stochastic sensing (Interevents interval) (Event lifetime) Gyurcsányi RE. Chemicallymodified nanopores for sensing. TracTrends In Analytical Chemistry 2008;27(7):

15 Pórus átmérő E I d p Nem csak a méret számít! Fontos a felületi töltés, kémiai összetétel, pórus geometria is. ssdns: ~ 1.5 nm 260 % a pórus átmérőnek dsdns (2 nm): ~ 2.5 nm Proteinek (~1.511): 2nm több tíz nm lysozyme (15.1 kda, r H =1.9 nm, BSA (66 kda, r H =3.6 nm), IgG (150 kda, r H = 5.5 nm) Virusok (5300 nm): 10 nm 1 m

16 Pórus Arany nanopórus sorok Kvarc nanopipetták Nanofabrikációs módszerek

17 Arany nanopórusok kémiai szintézissel 3: µm 4.32 µm 0.1 µm

18 Kvarc nanopipetták 2 m Gaston Crespo PhD. thesis

19 Egynanopórus (FIB)

20 DNS meghatározás Nano Letters 2007;7(6):

21 Az aranynanocsövek módosítása S H S NH NH 2 HN N Base HN N Base HN N Base S H S H S NH NH 2 HN N Base HN N Base HN N Base Arany nanopórusos membrán S H S H S H Biokompatibilis tiol PNS/MH Nanopórus

22 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). SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) Tuerk és Gold, Science 249, pp Ellington és Szostak, Nature 346, pp :10 10 kis molekulatömegű komponens esetében

23 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) Macugen: Korfüggő makula degeneráció nedves formájának gyógyítására (1,4 milliárd $) Archemics Corp.

24 ASPV (Apple Stem Pitting Virus) Aminosav szekvenciák homológiája: 80% 24

25 Aptamerek 25

26 Önrendezödő monorétegek HS H

27 Aptamer biochip

28 ASPV fertőzött minták

29

30 Új aptamerek Troponin I Baromfipestis (vírus) (oltóanyaggyártás) Procalcitonin, CRP (bakteriális vs. vírusos fertőzés) Stb.

31 Q / C Q / C Electromechanical gating effects at DNAmodified nanopores 1.8x x V/nm 0.05 V/nm 1.4x x x x x x x time / ns 1.2x x V/nm 0.05 V/nm 8.0x x x10 18 Biosensing with conically shaped nanopores and nanotubes. hysical Chemistry Chemical Physics 2006;8(43): mol cm 2 a b c d 2.0x mol cm 2 time / ns Höfler, L., Gyurcsányi, R.E., Coarse grained molecular dynamics simulation of electromechanicallygated DNA modified conical nanopores. Electroanalysis 20(3),

32 Kimutatási határ DNA t D C D r kt B 6π r 15 p mol t 9 mol r rc p if r r mol p C 1 nm if r r mol p C 1 pm t 1.7 s t 1700 s

33 t / s 0.1 V Elektromos fókuszálás NernstPlanckPoisson U 0.1 t 0.20exp U 0.19 U 0.1 t U r / nm

34 t / s Kimutatási határ találkozás valószínűsége C / M

35 Számlálás, bekötödés modellezése

36 Módosított arany nanopórus Permszelektivitás 3 S Ionszelektivitás Ag < 5 nm Hidrofobicitás F F F F F F F F F F F F F F F F F Jagerszki G, Takács Á, Bitter I, Gyurcsányi RE. Solidstate ion channels for potentiometric sensing. Angew. Chem. Int. Edit. 2011; (anie ).

37 E (mv) E (mv) Potenciometriás Ag szenzor time (min) mv/dekád M log a Ag

38 Molekuláris lenyomatú polimerek (Molecularly imprinted polymermip) Makromolekulák szelektív felismerése Homogén és hozzáférhető kötőhelyek Viszonylag vékony polimerréteg lyan polimer anyag amelyen nem lép fel nem specifikus adszorpció

39 Felületi lenyomatú polimerek EDT (0.01 M)/NaPSS(0.025 M) 5Hz between 0.2 and 1.1 V for 5000 cycles Elektromosan vezető polimer

40 Felületi lenyomatú polimerek

41 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),

42 Felületi lenyomat fotolitográfiával

43 Felületi lenyomatú mágneses nanorudak

44 PedotPSSmágneses nanokompozit

45 Jágerszki Gyula Szűcs Júlia Lautner Gergely

46 Dr. Mészáros Tamás (STE) Dr. Fürjes Péter (MFA) Dr. Vitali Syritski, Észtország Dr. Tom Lindfors, Finnország Dr. Horváth Viola, Giorgio Ceolin