Biopolym. Cell. 2017; 33(4):268-281.
http://dx.doi.org/10.7124/bc.000959
Молекулярна та клітинна біотехнології
Дослідження гібридизації ДНК на поверхні сенсора поверхневого плазмонного резонансу з використанням наночастинок золота, модифікованих специфічними олігонуклеотидами
1, 2Мацишин М. Й., 3Кучеров А. І., 4Ушенін Ю. В., 4Ляпін О. М., 2, 4Лопатинський А. М., 2, 4Чегель В. І., 1Рачков О. Е.
  1. Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
    Вул. Академіка Заболотного, 150, Київ, Україна, 03680
  2. Інститут високих технологій,
    Київський національний університет імені Тараса Шевченка
    пр. Академіка Глушкова 2, кор. 5, Київ, Україна, 03022
  3. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"
    пр-т Перемоги, 37, Київ, Україна, 03056
  4. Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України
    просп. Науки, 41, Київ, Україна, 03028

Abstract

Мета. Вивчення впливу концентрації олігонуклеотидів на їх іммобілізацію на поверхні наночастинок золота (AuNPs) та виявлення деяких особливостей взаємодії AuNPs, модифікованих різними олігонуклеотидами, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на чипі ДНК-сенсора поверхневого плазмонного резонансу. Методи. Рівень іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні AuNPs досліджували флуоресцентною спектрометрією. Взаємодія стабілізованих цитратом AuNPs, модифікованих олігонуклеотидами, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на чипі ДНК-сенсора, вивчали за допомогою спектрометрії поверхневого плазмонного резонансу. Результати. При іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні стабілізованих цитратом AuNPs початкова концентрація олігонуклеотидів впливає на рівень їх іммобілізації: до 200 нМ залежність була близькою до лінійної, а потім спостерігали наближення до насичення (~26 молекул на одну частинку або ~0,5 × 1013 молекул см–2). На відміну від цього, ефективність іммобілізації поступово зменшується разом із збільшенням початкової концентрації олігонуклеотидів. Використовуючи ДНК-сенсор поверхневого плазмонного резонансу, продемонстрували ефективну гібридизацію між олігонуклеотидами, іммобілізованими на сенсорному чипі, та комплементарними олігонуклеотидами різної довжини (короткі T2-11m і довгі T2-18m), іммобілізованими на поверхні AuNPs. У випадку AuNPs, модифікованих короткими олігонуклеотидами, були досягнуті ефективні термічна та хімічна регенерація біоселективного елемента ДНК-сенсора. Висновки. Рівень іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні AuNPs прямо пропорційно залежить від вихідної концентрації олігонуклеотидів, тоді як вихідна концентрація олігонуклеотидів та ефективність їх ім-мобілізації на поверхні AuNPs демонструють зворотний зв’язок. Ефективна гібридизація олігонуклеотидів різної довжини, іммобілізованих на AuNPs, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на поверхні сенсора, а також можливість термічної або хімічної регенерації дозволяють багаторазово використовувати сенсор та досягати величезного підсилення сенсорного сигналу.
Keywords: наночастинки золота, олігонуклеотиди, іммобілізація, поверхневий плазмонний резонанс, гібридизація ДНК, ДНК-сенсор
Повний текст: (PDF, англійською)

References

[1] Homola J. Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species. Chem Rev. 2008;108(2):462-93.
[2] Rich RL, Myszka DG. Survey of the year 2007 commercial optical biosensor literature. J Mol Recognit. 2008;21(6):355-400.
[3] Šípová H, Homola J. Surface plasmon resonance sensing of nucleic acids: a review. Anal Chim Acta. 2013;773:9-23.
[4] Merkoçi A. Nanoparticles-based strategies for DNA, protein and cell sensors. Biosens Bioelectron. 2010;26(4):1164-77.
[5] Rachkov A, Patskovsky S, Soldatkin A, Meunier M. Surface plasmon resonance detection of oligonucleotide sequences of the rpoB genes of Mycobacterium tuberculosis. Talanta. 2011;85(4):2094-9.
[6] Ghosh SK, Pal T. Interparticle coupling effect on the surface plasmon resonance of gold nanoparticles: from theory to applications. Chem Rev. 2007;107(11):4797-862.
[7] Zhao W, Brook MA, Li Y. Design of gold nanoparticle-based colorimetric biosensing assays. Chembiochem. 2008;9(15):2363-71.
[8] Storhoff JJ, Elghanian R, Mucic RC, Mirkin CA, Letsinger RL. One-pot colorimetric differentiation of polynucleotides with single base imperfections using gold nanoparticle probes. J Am Chem Soc. 1998; 120(9): 1959–64.
[9] Matsishin M, Rachkov A, Lopatynskyi A, Chegel V, Soldatkin A, El'skaya A. Selective Amplification of SPR Biosensor Signal for Recognition of rpoB Gene Fragments by Use of Gold Nanoparticles Modified by Thiolated DNA. Nanoscale Res Lett. 2017;12(1):252.
[10] D'Agata R, Corradini R, Ferretti C, Zanoli L, Gatti M, Marchelli R, Spoto G. Ultrasensitive detection of non-amplified genomic DNA by nanoparticle-enhanced surface plasmon resonance imaging. Biosens Bioelectron. 2010;25(9):2095-100.
[11] Turkevitch J, Stevenson PC, Hillier J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Discuss Faraday Soc. 1951; 11: 55–75.
[12] Matsishin M, Rachkov A, Losytskyy M, Soldatkin A. Experimental approach using covalently attached fluorophore for quantification of oligonucleotide immobilization on gold nanoparticles. Colloid Interface Sci Commun. 2014; 1: 35–8.
[13] Matsishin M, Rachkov A, Halushkina A, Soldatkin A. Investigations of the level oligonucleotide immobilization on the surface of gold nanoparticles using experimental approach with fluorophore Cy3. Sens Electron Microsyst Technol. 2014; 11(3): 31–41.
[14] Herne TM, Tarlov MJ. Characterization of DNA probes immobilized on gold surfaces. J Am Chem Soc. 1997; 119(38): 8916–20.
[15] Demers LM, Mirkin CA, Mucic RC, Reynolds RA 3rd, Letsinger RL, Elghanian R, Viswanadham G. A fluorescence-based method for determining the surface coverage and hybridization efficiency of thiol-capped oligonucleotides bound to gold thin films and nanoparticles. Anal Chem. 2000;72(22):5535-41.
[16] Hurst SJ, Lytton-Jean AK, Mirkin CA. Maximizing DNA loading on a range of gold nanoparticle sizes. Anal Chem. 2006;78(24):8313-8.
[17] Liu J. Adsorption of DNA onto gold nanoparticles and graphene oxide: surface science and applications. Phys Chem Chem Phys. 2012;14(30):10485-96.
[18] Matsishin MJ, Ushenin IuV, Rachkov AE, Solatkin AP. SPR detection and discrimination of the oligonucleotides related to the normal and the hybrid bcr-abl genes by two stringency control strategies. Nanoscale Res Lett. 2016;11(1):19.
[19] Chegel V, Rachkov O, Lopatynskyi A, Ishihara S, Yanchuk I, Nemoto Y, Hill JP, Ariga K. Gold Nanoparticles Aggregation: Drastic Effect of Cooperative Functionalities in a Single Molecular Conjugate. J Phys Chem C. 2012; 116(4): 2683–90.
[20] Rachkov A, Matsishin M, Chegel V, Lopatynskyi A, Yanchuk I, Soldatkin A. Investigations of aggregation stability of gold nanoparticles at their interactions with compounds bearing thiol and/or amino functional groups. Chem Sens. 2014; 4: 16.
[21] Rachkov A, Patskovsky S, Soldatkin A, Meunier M. Discrimination of single base mismatched oligonucleotides related to the rpoB gene of Mycobacterium tuberculosis using a surface plasmon resonance biosensor. Biotechnol Appl Bioc. 2013; 60(4): 453–8.
[22] Markham NR, Zuker M. DINAMelt web server for nucleic acid melting prediction. Nucleic Acids Res. 2005;33(Web Server issue):W577-81.
[23] Rachkov A, Holodova Y, Ushenin Y, Miroshnichenko D, Telegeev G, Soldatkin A. Development of bioselective element of SPR spectrometer for monitoring of oligonucleotide interactions and comparison with thermody-namic calculations. Sens Lett. 2009; 7(5): 957–61.
[24] Thomsen V, Schatzlein D, Mercuro D. Limits of detection in spectroscopy. Spectroscopy. 2003, 18(12): 112–4.
[25] Matsishin M, Rachkov A, Errachid A, Dzyadevych S, Soldatkin A. Development of impedimetric DNA biosensor for selective detection and discrimination of oligonucleotide sequences of the rpoB gene of Mycobacterium tuberculosis. Sensor Actuat B-Chem. 2016; 222: 1152–8.