Aptamers and Odorant Binding Proteins – Innovative Receptors for Electronic Small Ligand Sensing
Projektträger:
Danube Private University
Wissenschaftliche Leitung:
Wolfgang Knoll
Weitere beteiligte Einrichtungen:
Universität Ulm
Handlungsfeld(er):
Umwelt, Klima und Ressourcen
Wissenschaftsdisziplin(en):
1040 - Chemie (70 %)
1030 - Physik, Astronomie (10 %)
1060 - Biologie (20 %)
Förderinstrument: Projekte Grundlagenforschung
Projekt-ID: FTI22-G-012
Projektbeginn: 01. Juli 2023
Projektende: 30. Juni 2027
Laufzeit: 48 Monate / laufend
Fördersumme: € 300.000,00
Kurzzusammenfassung:
Die quantitative Bestimmung kleiner Analyten in klinisch relevanten Flüssigkeiten oder in Luft ist zur Zeit sowohl aus wissenschaftlicher Sicht, als auch für praktische Anwendungen eine anspruchsvolle Herausforderung. Die wesentlichsten Elemente liegen dabei in (i) der Empfindlichkeit des Transducers, (ii) der Selektivität, die zur Unterscheidung zwischen konkurrierenden Analyten erforderlich ist, und (iii) der Unterdrückung unspezifischer Bindungsvorgänge.
Bei elektronischen Sensorikkonzepten zeichnen sich Graphen-basierte Feldeffekttransistoren (gFETs) durch ihre geringe Größe, ihre hervorragenden elektrischen Eigenschaften und ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber oberflächennahen Ladungen und elektrischen Feldern aus. Die Spezifität für einen bestimmten Zielanalyten kann in gFETs durch die Anbindung von zielspezifischen Rezeptoren an der Oberfläche integriert werden; die sehr kleine Debye-Länge in (physiologischen) Pufferlösungen schränkt die Signalstärke jedoch erheblich ein.
Ein Schwerpunkt der vorgeschlagenen Arbeiten ist die Feststellung des Einflusses der verwendeten Oberflächenchemie, die für die Immobilisierung dieser Rezeptoren auf der Transduceroberfläche verwendet wird, und wie diese Kopplung die endgültigen Messsignale beeinflusst. Ein weiterer Ansatz befasst sich mit Möglichkeiten zur Beeinflussung der Debye-Beschränkungen durch die Verwendung „Polymerbrushes“ oder Hydrogelen auf der Sensoroberfläche.
Für die Ausweitung dieser Studien auf die Überwachung von THC direkt in der Luft schlagen wir vor, die natürliche Schleimhaut durch eine ultradünne Hydrogelschicht auf dem Transistor zu imitieren, die die empfindlichen bioorganischen Komponenten vor Luft schützt, indem sie sie in einem vollständig hydratisierten Zustand hält, ohne zu verhindern, dass die flüchtigen organischen Verbindungen Zugang zu den Rezeptoren auf der Sensoroberfläche erhalten, indem sie durch die Hydrogelschicht diffundieren.
Schlüsselbegriffe:
Sensorik, (Atem)gas Analytik, RGO-Feldeffekttransistor, Rezeptorsystems
Ergebnisse
Peer-reviewed publication
We report on the synthesis of “clickable” graphene nanoribbons (GNRs) and their application as a versatile interface for electrochemical biosensors. GNRs are successfully deposited on gold-coated working electrodes and serve as a platform for the covalent anchoring of a bioreceptor (i.e., a DNA aptamer), enabling selective and sensitive detection of Interleukin 6 (IL6). Moreover, when applied as the intermediate linker on reduced graphene oxide (rGO)-based field-effect transistors (FETs), the GNRs provide improved robustness compared to conventional aromatic bi-functional linker molecules. GNRs enable an orthogonal and covalent attachment of a recognition unit with a considerably higher probe density than previously established methods. Interestingly, we demonstrate that GNRs introduce photoluminescence (PL) when applied to rGO-based FETs, paving the way toward the simultaneous optical and electronic probing of the attached biointerface.
https://doi.org/doi.org/10.1039/D3NH00590A
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/nh/d3nh00590a
Affinity-based biosensors employing surface-bound biomolecules for analyte detection are important tools in clinical diagnostics and drug development. In this context, electrolyte-gated organic transistors (EGOTs) are emerging as ultrasensitive label-free biosensors. In this study, we present an EGOT sensor integrated within a microfluidic system. The sensor utilizes the cytomegalovirus (CMV) phosphoprotein 65 as a biorecognition element to detect the pathological biomarker human anti-cytomegalovirus antibody in solution. The biorecognition element is grafted onto the gate electrode by exploiting the polyhistidine-tag technology. Real-time monitoring of the EGOT response, coupled with a two-compartment kinetic model analysis, enables the determination of analyte concentration, binding kinetics, and thermodynamics of the interaction. The analysis of the relevant kinetic parameters of the binding process yields a reliable value for the thermodynamic equilibrium constant and suggests that the measured deviations from the Langmuir binding model arise from the co-existence of binding sites with different affinities toward the antibodies.
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101919
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424001668
- H. Xing, Y. Zhang, R. Li, H.-M. Ruzicka, C. Hain, J. Andersson, A. Bozdogan, M. Henkel, U. Knippschild, R. Hasler, C. Kleber, W. Knoll, A.-K. Kissmann, F. Rosenau Nanoscale Horiz., 2025, 10, 124-134.
https://doi.org/10.1039/D4NH00281D
- R. Hasler, P. A. Livio, A. Bozdogan, S. Fossati, S. Hageneder, V. Montes-García, J. Movilli, T. Moazzenzade, L. Loohuis, C. Reiner-Rozman, A. Tamayo, C. Fiedler, M. Ibáñez, C. Kleber, J. Huskens, J. Dostalek, P. Samorì, W. Knoll IEEE Sens. J, 2025, 25, 7, 10521-10529. DOI 10.1109/JSEN.2025.3533113
https://doi.org/10.1109/JSEN.2025.3533113
- Y. Zhang, H. Xing, R. Li, J. Andersson, A. Bozdogan, R. Strassl, B. Draphoen, M. Lindén, M. Henkel, U. Knippschild, R. Hasler, C. Kleber, W. Knoll, A.-K. Kissmann, F. Rosenau Adv. Healthc. Mater, 2025, 14, 2403827.
https://doi.org/10.1002/adhm.202403827
- J.-C. Walter, A.-K. Kissmann, D. Gruber, D. Alpízar-Pedraza, E. M. Martell-Huguet, N. Preising, A. Rodriguez-Alfonso, L. Ständker, C. Kleber, W. Knoll, S. Stenger, C. Firacative, F. Rosenau Biomolecules, 2025, 15, 322.
https://doi.org/10.3390/biom15030322
- G. Bolotnikov, A.-K. Kissmann, D. Gruber, A. Bellmann, R. Hasler, C. Kleber, W. Knoll, F. Rosenau Biosensors, 2025, 15, 7, 448.
https://doi.org/10.3390/bios15070448