Bioczujniki kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) odegrały kluczową rolę w zrewolucjonizowaniu wykrywania mutacji genów i identyfikacji patogenów. Wśród różnych dostępnych technik detekcji DNA, obiecującym podejściem okazało się powierzchniowo wzmocnione rozpraszanie ramanowskie (SERS). W niedawnym badaniu opublikowanym w Spectrochimica Acta Część A: Spektroskopia molekularna i biomolekularnaAndrzej Kudelski z Uniwersytetu Warszawskiego i jego zespół rzucają światło na krytyczne czynniki wpływające na czujniki SERS DNA (1).

Badania koncentrowały się na wpływie metalu plazmonowego zastosowanego w podłożu SERS oraz projektowaniu bioczujników typu kanapkowego. Konstrukcja typu kanapkowego odnosi się do ułożenia ramanowskiego reportera w bliskiej odległości od struktury DNA.

Systematycznie badając wpływ czynników odległości na wzmocnienie sygnału SERS, naukowcy odkryli kilka ważnych odkryć. Na początek badanie ujawniło, że zwiększenie odległości między rozpraszaczem ramanowskim a aktywną powierzchnią SERS nie zawsze skutkowało wyższą intensywnością sygnału, co jest dowodem sprzecznym z konwencjonalną wiedzą. W rzeczywistości zmierzony sygnał ramanowski był bardziej intensywny, gdy reporter ramanowski znajdował się dalej od plazmonicznego podłoża.

Czujniki DNA SERS działają poprzez interakcję światła z plazmonicznymi nanostrukturami metali, takimi jak nanocząsteczki złota lub srebra. Te nanostruktury generują intensywne pola elektryczne zwane „gorącymi punktami” w pobliżu powierzchni metalu z powodu zlokalizowanych plazmonów powierzchniowych. Cząsteczki DNA unieruchomione na metalowym podłożu oddziałują z tymi gorącymi punktami, wzmacniając sygnał rozpraszania Ramana. Rozpraszanie Ramana występuje, gdy padające światło oddziałuje z cząsteczkami, powodując, że emitują one rozproszone światło z unikalnymi widmowymi odciskami palców. Czujniki DNA SERS wykorzystują plazmoniczne nanostruktury metalowe do wzmacniania sygnału rozpraszania ramanowskiego, umożliwiając czułe wykrywanie i charakteryzację określonych sekwencji DNA. To sprawia, że ​​czujniki DNA SERS są cenne w analizie genetycznej, diagnostyce i badaniach biologii molekularnej.

Uważa się, że obserwowane zjawisko można przypisać różnym strukturom czujników DNA i wynikającym z tego zróżnicowaniu wydajności hybrydyzacji. Postawiono hipotezę, że przeszkody steryczne odgrywają znaczącą rolę w modulowaniu procesu hybrydyzacji.

Zespół przeprowadził wszechstronną analizę różnych konfiguracji i zmierzył odpowiadające im intensywności sygnału SERS. Wyniki wskazują, że optymalizacja pozycjonowania reportera ramanowskiego i niedopasowań w czujniku DNA typu kanapkowego ma kluczowe znaczenie dla uzyskania optymalnego wzmocnienia sygnału.

Odkrycia te przyczyniają się do głębszego zrozumienia mechanizmów leżących u podstaw czujników SERS DNA. Podkreślają znaczenie starannego zaprojektowania strategii konstrukcyjnej i uwzględnienia wpływu metalu plazmonicznego zastosowanego w podłożu SERS.

Dalsze badanie tych czynników może potencjalnie zwiększyć czułość i dokładność czujników SERS DNA. Spostrzeżenia uzyskane z tego badania mogą utorować drogę do ulepszonych technik wykrywania DNA, ułatwiając postęp w badaniach genetycznych, diagnostyce i wykrywaniu patogenów.

Podsumowując, Andrzej Kudelski i jego zespół z UW wyjaśnili wpływ strategii budowy DNA typu kanapkowego oraz metalu plazmonicznego na sygnał generowany przez czujniki SERS DNA. Ich odkrycia podkreślają znaczenie optymalizacji tych czynników w celu maksymalizacji wydajności platform wykrywania DNA opartych na SERS.

Odniesienie

(1) Pyrak, E.; Kowalczyk, A.; Weyher, JL; Nowicka AM; Kudelski, A. Wpływ strategii budowy DNA typu kanapkowego i metalu plazmonicznego na sygnał. Spectrochimica Acta Część A: Mol. Biomol. Spektrosc. 2023, 295122606. DOI: 10.1016/j.saa.2023.122606