Molekuláris lenyomatú mágneses nanorészecskék szelektív protein felismerésre
Title in English
Molecularly imprinted magnetic nanoparticles for selective protein recognition
Keywords in Hungarian
molekuláris lenyomatú polimer, oligonukleotid, fotokapcsolható molekula, ligandum-kötő assay, mágneses nanorészecske
Keywords in English
molecularly imprinted polymer, oligonucleotide, photoswitchable molecule, ligand-binding assay, magnetic nanoparticle
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)
40 %
Ortelius classification: Instrumental analysis
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)
30 %
Macromolecular Chemistry and Material Sciences (organic chemistry) (Council of Physical Sciences)
30 %
Ortelius classification: Macromolecular chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Department of Inorganic and Analytical Chemistry (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Gyurcsányi, Ervin Róbert Horvai, György
Starting date
2012-09-01
Closing date
2016-08-31
Funding (in million HUF)
10.866
FTE (full time equivalent)
2.70
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A molekuláris lenyomatképzés polimer mátrixban állít elő specifikus felismerőhelyeket, úgy, hogy a polimerizáció során a célvegyület, más néven templát önrendeződéssel pozícionálja a monomereket, amelyek rögzülnek. Ezzel az univerzális módszerrel szintetikus receptorok (molekuláris lenyomatú polimerek, MIP-ek) állíthatók elő, amelyek kiválthatják az érzékeny biomolekulákat bioszenzorokban, kromatográfiás elválasztásoknál, immunoassay-ekben és enzim katalízisben. Pályázatunkban két új funkcionális monomert szeretnénk alkalmazni fehérjékre szelektív receptorok kialakítására. Egyrészt rövid oligonukleotid szakaszokon alapuló monomereket fogunk használni, amelyek a célfehérje epitópjaival/aminosav építőköveivel többpontos kölcsönhatás kialakítására alkalmasak. Ez feltételezéseink szerint nagy affinitású kötőhelyek kialakításához vezet és csökkenti a nem-specifikus adszorpciót. Másrészt fotokapcsolható spiropirán alapú monomerek használatát tervezzük, amely lehetővé teszi majd a templát polimerbe való bekötődésének és elengedésének fénnyel történő modulációját, mivel csak az egyik fotoizomer tud kölcsönhatást kialakítani a proteinnel. Ez a tulajdonság különösen hasznos lehet a templát eltávolításánál a polimer szintézisét követően, mivel ily módon a fehérjék károsodás nélkül visszanyerhetők. A kifejlesztett monomerekből mágneses maggal rendelkező nanorészecskéket állítunk elő, amelyeket ligandum-kötő assay-ekben és minta tisztításban alkalmazunk. A részecskék mágnesessége megkönnyíti az assay, illetve a tisztítás végén az elválasztásukat és ezáltal lehetővé teszi többszöri felhasználásukat. A fénnyel modulált templát eleresztés a nanorészecskék regenerálását is elősegíti.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A fehérjék megkötésére alkalmas molekuláris lenyomatú polimerek specifikus affinitása és szelektivitása ma még messze elmarad a biológiai eredetű receptorokétól (pl. antitestekétől). Ez feltehetően annak köszönhető, hogy a jelenlegi lenyomatképzési módszerek csak egy, vagy esetleg néhány gyengén kötő, nem szelektív funkcionális monomert használnak a lenyomatképzés során. A pályázatban javasolt új funkcionális monomerek erősítik a polimer és a templát közötti kölcsönhatásokat ezáltal remélhetőleg specifikusabb receptorok hozhatók létre. A fehérjékre szelektív MIP-ek előállításánál a templát eltávolítása kritikus lépés. A fehérjék drágák és nagy mennyiségben van rájuk szükség a lenyomatképzéskor. Az általánosan használt mosási lépések (savas/szerves oldószerrel, felületaktív anyaggal) legtöbbször tönkreteszik a proteineket, megakadályozva az újrafelhasználásukat. Ez az egész gyártást gazdaságtalanná teszi. A protein fény hatására történő eltávolítása a polimer mátrixból megoldás lehet erre a problémára.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az újonnan előállított, fehérjékre imprintelt molekuláris lenyomatú polimerek affinitása és szelektivitása reményeink szerint megegyezik majd a biológiai receptorokéval. Az intakt protein templát fénybesugárzással történő visszanyerése a polimerizáció után a MIP előállítását gazdaságossá teszi. Mivel a molekuláris lenyomatú polimerek előállítása sokkal gyorsabb és univerzálisabb, mint az antitesteké, továbbá nem szükségesek hozzá állatok, az új, megnövekedett szelektivitású MIP-ek valódi alternatívát jelenthetnek az antitestekkel szemben. A proteinekre szelektív mágneses MIP nanorészecskék előnyösen helyettesíthetik az antitesteket az immunoassay-ekben, fehérje tartalmú minták tisztításánál. A részecskék fény hatására történő regenerálása olcsón és gyorsan lehetővé teszik a polimer alapú receptorok újra felhasználását, ami egy újabb gazdaságossági érv a MIP-ek mellett.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A pályázat polimer alapú, fehérjék megkötésére szolgáló szintetikus receptorok fejlesztésére fókuszál, amelyeket egy speciális technikával, ú.n. molekuláris lenyomatképzéssel állítanak elő. Ezek a polimerek a jövőben a klinikai méréseknél az antitesteket helyettesíthetik. Egyik célunk, hogy ezeknek a receptoroknak a szelektivitását növeljük. Ezt úgy szeretnénk elérni, hogy rövid DNS szakaszokat építünk a polimerbe, amelyek a fehérje bizonyos részeit erősen meg tudják fogni. A másik cél, hogy a polimer receptornak és a fehérjének a kölcsönhatását fénnyel moduláljuk. Ha megfelelő fényérzékeny festékeket építünk a polimerbe, UV fénnyel történő megvilágítás hatására a protein a polimerhez köt, míg ha látható fénnyel világítjuk meg, a polimer elengedi a fehérjét. Ez az érdekes tulajdonság mind a polimer gyártásánál, mind a regenerálásánál kihasználható.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Molecular imprinting creates specific recognition sites in a polymer matrix via a self-assembling mechanism where during polymerization the target molecule (template) positions and orientates the building blocks of the material. This is a universal method to conceive fully synthetic receptors (molecularly imprinted polymers, MIPs) in order to substitute fragile biomolecules in biosensors, chromatographic separations, immunoassays and enzyme catalysis. We propose the use of two novel functional monomers in protein imprinting. Short oligonucleotide based functional monomers are expected to interact with specific epitopes/amino acids of the protein through multiple bonds. This is expected to create high affinity binding sites in the polymer and reduce non-specific binding. Utilization of photoswitchable spiropyran based monomers as recognition sites will enable light-controllable template binding and release because only one photoisomer of the monomer is able to interact with the protein. This is particularly useful in the template removal after polymer synthesis as the proteins can be recovered without any damage. The designed monomers will be polymerized in the form of nanoparticles with a magnetic core to expedite their application in affinity binding assays and sample clean-up. Their magnetic property will enable their straightforward separation by a simple magnet after the assay or clean-up and their further reuse. The photocontrolled template release can be of use also in the regeneration of the nanoparticles.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Protein imprinted polymers are still far behind from their biological counterparts (e.g. antibodies) in specific affinity and selectivity. This is probably due to the fact that current approaches use one or very few weakly interacting non-specific functional monomers in the imprinting process. The novel functional monomers proposed in the project will enhance the interaction between the polymer and the template, thereby hopefully creating more specific synthetic receptors. Template removal in MIP synthesis is a critical point in protein imprinting. Proteins are very expensive and applied in large quantities in the process. The usual washing procedures with acidic/organic solvents or surfactants often denature the proteins hindering their reusability. This makes the whole production uneconomical. The light-induced dissociation of the protein from the polymer matrix can be a solution to this problem.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The affinity and selectivity of the novel molecularly imprinted polymers (MIPs) targeting proteins can match that of biological receptors in our expectations. Recovery of the intact protein template after polymerization by illumination with visible light will make the MIP production cost-effective. As the molecular imprinting technique is much less time-consuming and more universal than the production of antibodies, furthermore it does not use animals the novel MIPs with improved selectivity can be a viable alternative to antibody production. The protein imprinted magnetic nanoparticles can substitute antibodies in binding assays and sample clean-up. Light induced regeneration of the particles is a cheap and fast way to ensure the reusability of the polymeric receptors, which is a further argument on their side.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The present proposal focuses on the development of polymer based synthetic receptors produced using a special technique called “molecular imprinting”. These receptors can, in the future, substitute antibodies in clinical assays for proteins. One of our goals is to improve their selectivity. This is achieved through incorporation of small DNA fragments into the polymer which can bind very strongly to different parts of protein. The other goal is to modulate the interaction of the protein with the polymeric receptor with light. By incorporation of suitable light-sensitive dyes illumination with UV light forces the protein to bind to the polymer while visible light induces the opposite event; the polymer releases the protein. This interesting property can be exploited both in the synthesis of the polymer and also in its regeneration.
Final report
Results in Hungarian
Új stratégiákat dolgoztunk ki fehérjék szelektív felismerésére alkalmas molekuláris lenyomatú polimerek (MIP-ek) előállítására. Nanoszféra litográfiával nanostruktúrált, felületi fehérje-lenyomatokkal rendelkező polimer réteget hoztunk létre nanogravimetriás szenzor érzékelő részeként, amely így alkalmassá vált a célfehérje szelektív mérésére. Mágneses nanorészecskéket tartalmazó, fehérje-lenyomatú mikrorudakat állítottunk elő, amelyeket kötési esszékben és mintatisztításban lehet alkalmazni antitestek helyettesítésére. Nanométer vastagságú, fehérjékre imprintelt polimer filmek sorozatát állítottuk elő elektrokémiai mikrocseppentéses eljárással felületi plazmon rezonancia chip-ek felületén. A rendszer alkalmas a polimerek összetételének gyors, nagy áteresztőképességű optimálására és szelektivitásuk tesztelésére. Monodiszperz, MIP mikro/nanorészecskék előállítására dolgoztunk ki új, nagy monomer koncentrációnál működő precipitációs polimerizációs eljárást. Új stratégiát alkalmazva fotokontrollálható MIP-eket állítottunk elő, ahol a templát molekula bekötődése és eleresztése fénnyel reverzibilisen kapcsolható. A fehérje MIP-ek szelektivitásának növelésére új, nukleobázis alapú monomert szintetizáltunk. A MIP-ek szelektivitásának jellemzésére egy egyszerű új módszert dolgoztunk ki, melyet az analitikai kémiai szelektivitás általános értelmezésével támasztottunk alá. A pályázat támogatásával 1 könyvfejezet és 13 közlemény született, amelyek összesített impakt faktora 43,2.
Results in English
Novel strategies have been developed to create protein selective molecularly imprinted polymers (MIPs). Nanostructured surface imprinted protein selective polymer layers were created by nanosphere litography on nanogravimetric sensor surfaces that can selectively bind the target protein and differentiate between structurally related proteins. Surface imprinted protein selective microrods with embedded magnetic nanoparticles have been prepared for use as antibody substitutes in binding assays and sample clean-up. Arrays of nanometer thin protein imprinted polymer films were produced on surface plasmon resonance chips by microelectrospotting. The system enables the high-throughput optimization of the polymer composition and selectivity testing. We have developed a novel precipitation polymerization method that allows the formation of monodisperse MIP micro/nanoparticles at high monomer concentrations. By introducing a novel strategy photocontrollable MIPs were created in which template binding and release could be reversibly switched by irradiation with light. To increase the selectivity of protein imprinted MIPs novel nucleotide and nucleobase-based monomers were synthesized. A new method was introduced to characterize the selectivity of MIPs. This result was extended to the general interpretation of selectivity in analytical chemistry. With the support of the project 1 book chapter and 13 scientific papers have been published.
Erdőssy J; Kassa E; Horváth V: Protein imprinted core-shell nanoparticles prepared by immobilization of both template and initiator, Book of Abstracts P2-4, The 9th International Conference on Molecular Imprinting, Lund, Sweden, 2016
Erdőssy J; Kassa E; Horváth V:: Template removal from protein-imprinted core-shell particles by digestion with proteinase K, Book of Abstracts P2-8, The 9th International Conference on Molecular Imprinting, Lund, Sweden, 2016
Bognár J; Szűcs J; Dorkó Zs; Horváth V; Gyurcsányi ER: Nanosphere Lithography as a Versatile Method to Generate Surface-Imprinted Polymer Films for Selective Protein Recognition, Adv. Funct. Mater., published online, DOI: 10.1002/adfm.201300113, 2013
Bognár J; Szűcs J; Dorkó Zs; Horváth V; Gyurcsányi ER: Nanosphere Lithography as a Versatile Method to Generate Surface-Imprinted Polymer Films for Selective Protein Recognition, Adv. Funct. Mater., published online, DOI: 10.1002/adfm.201300113, 2013
Dorkó Zs; Tamás B; Horvai G: Selectivity of molecularly imprinted polymers on logc-logq plot, p. 24 in Symposium Programme and Book of Abstracts, 6th Grauduate Student Symposium on Molecular Imprinting 2015, Kent, UK, 2015
Erdőssy J; Kassa E; Horváth V: Molecularly imprinted magnetic microparticles prepared by immobilization of both template and initiator, p. 33, Symposium Programme and Book of Abstracts, 6th Graduate Student Symposium on Molecular Imprinting 2015, Kent, UK, 2015
Bognár J; Horváth V: Molecularly imprinted magnetic nanoparticles for the recognition of horseradish peroxidase, p. 146, Book of Abstracts, Mátrafüred 2014, International Conference on Electrochemical Sensors, Visegrád, Hungary, 2014
Dorkó Z; Tamás B; Horvai G: Adsorption on weak ion exchangers from organic solvents studied by a robust isotherm method, # FUN-TU-10:10 Book of Abstracts, HPLC 2015, Geneva, Switzerland, 2015
Dorkó Z; Verbic T; Horvai G: Selectivity in (analytical) chemistry, # L10 Book of Abstracts, Conferentia Chemometrica, Sopron, 2015
Dorkó Zs; Tamás B; Horvai Gy: Molekuláris lenyomatú polimerek jellemzése, p. 4, Absztrakt könyv, Fiatal Analitikusok Előadóülése, Budapest, 2014
Dorkó Zs; Verbic T; Horvai Gy: Szelektivitás az analitikai kémiában, #A-K-3 Absztrakt könyv, MKE 2. Nemzeti Konferencia, Hajdúszoboszló, 2015
Dorkó Z; Verbic T; Horvai G: Selectivity in analytical chemistry, #AC-P0297-MON, Book of Abstracts, 45th World Chemistry Congress, Busan, South-Korea, 2015
Bognár J; Szűcs J; Dorkó Zs; Horváth V; Gyurcsányi ER: Nanosphere Lithography as a Versatile Method to Generate Surface-Imprinted Polymer Films for Selective Protein Recognition, Adv. Funct. Mater., 23: 4703–4709, 2013
Dorkó Z; Tamás B; Horvai G: Relationship between individual and competitive adsorption isotherms on molecularly imprinted polymers, Periodica Polytechnica - Chemical Engineering (accepted for publication), 2016
Renkecz T; Horváth V: Preparation of molecularly imprinted microspheres by precipitation polymerization, Methods in Molecular Biology - Synthetic Antibodies (közlésre elfogadva), 2017
