Электропереключаемая биоповерхность — это биосенсор , основанный на электроде (часто золотом), к которому привязан слой биомолекул (часто молекул ДНК ). К электроду прикладывается переменный или фиксированный электрический потенциал, который вызывает изменения в структуре и положении (движении) заряженных биомолекул. Биосенсор используется в науке, например, в биомедицинских и биофизических исследованиях или при разработке лекарств , для оценки взаимодействий между биомолекулами и кинетики связывания, а также изменений в размере или конформации биомолекул.
Общий принцип биоповерхности — это твердая поверхность с дополнительным слоем биологических макромолекул. Поскольку этот молекулярный слой обратимо реагирует на изменения в среде поверхности, его также называют «монослоем, реагирующим на стимулы». Внешними стимулами могут быть, например, изменения температуры, изменения магнитных полей, механические силы или изменения электрических полей. [1] Для прикрепления монослоя биомолекул к поверхности могут использоваться различные стратегии, например, осаждение атомного слоя или послойное осаждение . Другим вариантом является изготовление самоорганизующихся монослоев (SAM). [2] Поверхность, используемая чаще всего с этой стратегией, — это золотой электрод. SAM образуются путем спонтанной организации молекул, например, алкантиолятов, на подложке. SAM могут использоваться в качестве поверхностных слоев для наночастиц, например, в контрастных агентах МРТ, они могут защищать металлические пленки от коррозии и иметь множество других применений в электрохимии и нанонауке. [3] Для их применения в качестве биосенсора одной из наиболее часто используемых молекул, самоорганизующихся на золотых электродах, является ДНК. Благодаря своей молекулярной структуре двухцепочечные молекулы ДНК отрицательно заряжены и жесткие. Прикладывая переменный потенциал к биоповерхности, прикрепленные нити ДНК могут систематически перемещаться, поскольку они будут переключаться между вертикальным и плоским положением. [4] [5] Это позволяет использовать биоповерхность в качестве биосенсора.
Возможность контролировать потенциал электрода для электропереключаемых биоповерхностей облегчает несколько различных применений. [6] Одним из примеров является область молекулярной электроники , например, исследование переноса заряда, опосредованного ДНК. [7] [8]
Другое применение — анализ молекулярных взаимодействий. Для этого цепь ДНК метится флуоресцентным красителем . Возбужденные флуоресцентные красители могут передавать энергию металлу. Следовательно, флуоресценция гасится вблизи металлического электрода. [9] [10] Для измерения взаимодействий лиганд дополнительно присоединяется к головке молекулы ДНК, а взаимодействующее аналит пропускается через биосенсор. С помощью биосенсора можно выполнять два различных режима измерения: статический и динамический. В статическом режиме потенциал, приложенный к электроду, фиксируется, удерживая молекулу ДНК в вертикальном положении. Связывание аналита с лигандом изменит локальное окружение флуоресцентного красителя и тем самым гасит его флуоресценцию. Статический режим также можно использовать для измерения активности ферментов, таких как полимеразы , которые влияют на структуру молекулы ДНК. [11] В динамическом режиме потенциал, приложенный к электроду, колеблется, таким образом, молекула ДНК переключается между вертикальным и горизонтальным положением. Связывание аналита изменит размер присоединенного комплекса. Следовательно, гидродинамическое трение изменится, и молекула ДНК будет двигаться через буфер с другой скоростью. Это изменение скорости можно использовать для исследования изменений размера или конформационных изменений, вызванных связыванием аналита. Применение электропереключаемых биоповерхностей в качестве датчика молекулярных взаимодействий также известно как технология switchSENSE. [12] [13] [14] [15] [16] Он относится к категории микрофлюидных поверхностно-связанных методов измерения молекулярных взаимодействий.
Аналогичным применением в этой категории является поверхностный плазмонный резонанс (SPR) , где тонкая золотая пленка на стеклянном слайде является сенсорной поверхностью. В SPR золотая пленка может быть дополнительно модифицирована SAM или другими специальными слоями. Одним из отличий от электропереключаемых биоповерхностей является то, что к поверхности SPR не прикладывается потенциал. [17] В отличие от методов, связанных с поверхностью, существуют также методы измерения молекулярных взаимодействий в растворе, например, изотермическая титрационная калориметрия (ITC).
Электрический потенциал может использоваться не только для управления движением цепей ДНК, но и для управления высвобождением молекул в раствор. Это может найти применение в области генной терапии , поскольку может обеспечить доставку генетического материала в определенные места. [6]