Chemically modified synthetic nanopores for label-free detection of biomolecular interactions  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
69262
Type NF
Principal investigator Gyurcsányi, Ervin Róbert
Title in Hungarian Kémiailag módosított nanopórus alapú érzékelők biomolekuláris kölcsönhatások tanulmányozására
Title in English Chemically modified synthetic nanopores for label-free detection of biomolecular interactions
Keywords in Hungarian bioszenzorok, biomolekuláris kölcsönhatások, nanopórusok, nanocsövek, peptidnukleinsav, aptamer, DNS analízis, biomarkerek, ioncsatorna
Keywords in English biosensors, biomolecular interaction, nanopores, nanotubules, peptide nucleic acid, aptamer, DNA analysis, biomarkers, ion channel
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)90 %
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)10 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Inorganic and Analytical Chemistry (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Fürjes, Péter
Mészáros, Tamás
Starting date 2007-07-01
Closing date 2012-06-30
Funding (in million HUF) 37.510
FTE (full time equivalent) 6.29
state closed project
Summary in Hungarian
A tervezett kutatás kémiailag módosított szintetikus nanoporúsokban végbemenő biomolekuláris kölcsönhatások megértését és szelektív molekuláris felismerésre való alkalmazását tűzi ki célul. A nagy affinitású szintetikus bioreceptorokkal módosított nanopórusok alkalmazása analitikai célokra megoldást nyújthat a jelenlegi bioszenzorok stabilitási problémáira és mindemellett egy jelölés mentes és rendkívül széles körben alkalmazható bioérzékelési elvet biztosít. A megfelelően kis átmérőjű nanopórusok esetében a célvegyület kötödése a nanopórusokban immobilizált receptorokhoz megváltoztathatja különböző mechanizmusok alapján, mint például sztérikus gátlás vagy/és elektrosztatikus kölcsönhatás, a nanopórusok átjárhatóságát megfelelően megválasztott marker-ionok számára. Mivel a marker-ionok koncentrációja sok nagyságrenddel nagyobb a nanopórusok átjárhatóságát moduláló célvegyületek koncentrációjánál, ez a detektálási elv lehetővé teszi a biomolekuláris kölcsönhatások nagyérzékenységű nyomonkövetését. Tekintettel arra, hogy egy nanopórus esetében akár egy molekula bekötődése is jelentős változást okozhat a nanopóruson keresztüli ionáramban, a módszer elviekben akár egy molekula detektálására is alkalmas lehet. A pályázat alapkövei a kontrollált méretű és alakú nanopórusok előállítása (arany nanocsövek, nanopipetták, illetve fókuszált ionsugár maratással nanofabrikált nanopórusok) és ezek új szintetikus specifikus bioreceptorokkal való módosítása molekuláris önrendeződés alkalmazásával. Ennek megfelelően tervezzük nanopórusok peptidnukleinsavakkal (PNS), illetve DNS aptamerekkel történő kémiai módosítását amely a molekuláris felismerés széles tárházát nyitja meg. Míg a PNS szálak alkalmazása nukleinsavak specifikus felismerését szolgálják, addig DNS aptamerek in-vitro szelekcióval rendkívül nagyszámú komponens (toxinok, proteinek, gyógyszermolekulák) szelektív felismerésére állíthatók elő, amelyre a jelen pályázatban sor kerül. A tervezett kutatás a nanopórusok gyártásának, valamint a velük történő analitikai meghatározás módszertanának kidolgozását és optimalizálását is magában foglalja. A kifejlesztett módszerek alkalmazhatóságát orvosdiagnosztikai ill. élelmiszeranalitikai szempontból kiemelkedő fontossággal bíró nukleinsavak, toxin ill. protein meghatározásával kívánjuk igazolni. A pályázat a stratégiai fontosságú interdiszciplináris nano-biotechnológia területen egy nemzetközi pályázatokon versenyképes hazai kutatócsoport kialakulásához vezethet.
Summary
The project focuses on the fundamental understanding of the mechanisms of biomolecular interactions in chemically modified synthetic nanopores with the aim to design novel biosensing interfaces at molecular level. The essential requisites of the proposed study are the development and implementation of novel bioreceptors with tailored chemical and binding properties as well as technologies for the controlled fabrication of single and multi nanopore devices based on nuclear track-etch membranes, nanopipetes and focused ion beam milled microchips having various dimensions and shapes. Nanopores are going to be chemically modified with peptide nucleic acids (PNA) and DNA aptamers by using molecular self assembly. PNAs provide the opportunity for the specific recognition nucleic acids while DNA aptamers prepared in the frame of the present project by in-vitro selection provide high affinity recognition of a wide range of compounds ranging form small molecules to proteins. The biomolecular interactions (binding events) are going to be detected based on their modulating effect on the ion transport through the nanopores. In principle, the use of single nanopore membranes modified with proper bioreceptors provides the prospect of label free detection of single molecules. The analytical approach of the present study aims to design the receptor modified nanopores and assay methodology to achieve optimal performance of the biosensing process. Representative targets such as nucleic acids, toxins and proteins with practical relevance for medical diagnostics and food safety have been chosen to delineate the applicability and potential of the nanopore sensing method. The project has the potential to generate the core of a competitive research group with a valuable knowledge base in an interdisciplinary research area of internationally recognized strategic importance. This can lead to further attraction of international funds and collaborative international research.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A pályázat elsődleges célkitűzése a nanopórusok analitikai alkalmazásainak vizsgálata volt. Három platformot állítottunk elő és alkalmaztunk érzékelésre: arany nanopórusos membránokat, nanopipettákat, illetve 3D MEMS technológia és fókuszált ionnyaláb marással készült membránokat. Megoldottuk a nanopórusok kémiai módosítását szintetikus receptorokkal: peptid-nukleinsavakkal és originális aptamerekkel. Érzékelőket fejlesztettünk ki fehérjék, DNS szálak meghatározására, és nanorészecskék számlálására. Új aptamereket fejlesztettünk ki az alma törzsgöndörödés vírus meghatározására, amellyel sikerült a vírust közvetlenül növényi extraktumokban kimutatni. Elsőként sikerült szelektív szilárdtest ioncsatornákat előállítani, amelyek a biológiai ioncsatornákat meghaladó több mint hat nagyságrendnyi szelektivitással rendelkeztek. Szilárdtest ioncsatornákon alapuló nanomólos kimutatási határú potenciometriás ezüstion érzékelőket fejlesztettünk ki. Fehérje módosított pórusokat reaktorként alkalmazva polimer rudakat állítottunk elő, amelyek a felületükön szelektív kötőhelyekkel rendelkeznek a pórust módosító fehérjékre. Numerikus módszerekkel és durva szemcsézettségű molekuladinamikai számításokkal meghatároztuk a célkomponens átlagos pórushoz jutási idejének koncentráció függését, a nanopórusok felületi töltéssűrűségét, illetve a nanopórusosban fellépő nanofluidikai effektusokat. A pályázat támogatásával 1 könyvfejezet és 28 közlemény született, amelyek összesített impakt faktorja 134,3.
Results in English
The primary objective of the project was to explore new aspects of nanopore sensing. Three different nanopore platforms were prepared applied for sensing: gold nanoporous membranes, nanopipepettes and nanoporous membranes made by combining 3D MEMS technology and focused ion beam milling. Methods for chemical modification of nanopores with synthetic receptors, i.e., peptide nucleic acids and original aptamers, were developed. Based on this we have introduced sensors for proteins, DNA strands, and for nanoparticle counting. New aptamers were selected for the determination of apple stem pitting virus, which could detect the virus directly in plant extracts. Selective solid-state ion channels with selectivities exceeding that of the biological ion channels, i.e., more than six orders of magnitude, were introduced for the first time. They formed the base for potentiometric silver sensors with nanomolar detection limit. Reactors using protein modified pores were implemented to generate surface imprinted polymer rods able to selectively recognize the template protein. Numerical methods and coarse grain molecular dynamics were implemented to determine the encounter time of the analyte and nanopore, the surface charge density of nanopores and to interprete nanofluidic effects in the nanopores. One book chapter and 28 scientific papers having a cumulated impact factor of 134.3 were published with the support of the project.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=69262
Decision
Yes





 

List of publications

  
Jágerszki G; Takács Á; Bitter I; Gyurcsányi RE: Solid-State Ion Channels for Potentiometric Sensing, Angewandte Chemie International Edition 50:1656-1659, 2011
Jágerszki G; Gyurcsányi RE; Höfler L; Pretsch E: Hybridization-Modulated Ion Fluxes through Peptide-Nucleic-Acid- Functionalized Gold Nanotubes. A New Approach to Quantitative Label-Free DNA Analysis, Nano Letters 7(6):1609-1612, 2007
Gyurcsányi RE: Chemically-modified nanopores for sensing, TrAC Trends in Analytical Chemistry 27(7):627-639, 2008
Höfler L; Gyurcsányi RE: Nanosensors lost in space. A random walk study of single molecule detection with single-nanopore sensors, Analytica Chimica Acta 722:119-126., 2012
Makra I; Jágerszki G; Bitter I; Gyurcsányi RE: Nernst-Planck/Poisson model for the potential response of permselective gold nanopores., Electrochimica Acta 73:70-77., 2012
Höfler L; Gyurcsányi RE: Coarse Grained Molecular Dynamics Simulation of Electromechanically-Gated DNA Modified Conical Nanopores, Electroanalysis 20(3):301-307, 2008
Lautner G; Balogh Z; Bardoczy V; Mészáros T; Gyurcsányi RE: Aptamer-based biochips for label-free detection of plant virus coat proteins by SPR imaging, Analyst 135(5):918-926, 2010
Balogh Z; Lautner G; Bardoczy V; Komorowska B; Gyurcsányi RE; Mészáros T: Selection and versatile application of virus-specific aptamers, FASEB Journal 24(11):4187-4195, 2010
Menaker A; Syritski V; Reut J; Öpik A; Horváth V; Gyurcsányi RE: Electrosynthesized Surface-Imprinted Conducting Polymer Microrods for Selective Protein Recognition, Advanced Materials 21(22):2271-2275, 2009
Lautner G; Kaev J; Reut J; Öpik A; Rappich J; Syritski V; Gyurcsányi RE: Selective Artificial Receptors Based on Micropatterned Surface-Imprinted Polymers for Label-Free Detection of Proteins by SPR Imaging., Advanced Functional Materials 21:591-597, 2011
Szűcs J; Gyurcsányi RE.: Towards Protein Assays on Paper Platforms with Potentiometric Detection., Electroanalysis 24:146-152., 2012
Jágerszki G; Grün A; Bitter I; Tóth K; Gyurcsányi RE: Ionophore-gold nanoparticle conjugates for Ag+-selective sensors with nanomolar detection limit, Chemical Communications 46(4):607-609, 2010
Zook JM, Bodor S, Gyurcsányi RE, Lindner E: Interpretation of chronopotentiometric transients of ion-selective membranes with two transition times, Journal of Electroanalytical Chemistry 638(2):254-261, 2010
Szűcs J; Pretsch E; Gyurcsányi RE: Potentiometric enzyme immunoassay using miniaturized anion-selective electrodes for detection, ANALYST 134 (8): 1601-1607, 2009
Lindfors T; Sundfors F; Höfler L; Gyurcsányi RE: FTIR-ATR Study of Water Uptake and Diffusion Through Ion-Selective Membranes Based on Plasticized Poly(vinyl chloride), Electroanalysis 21(17-18):1914-1922, 2009
Zook JM; Bodor S; Lindner E; Tóth K; Gyurcsányi RE: Assessment of Ion-Ionophore Complex Diffusion Coefficients in Solvent Polymeric Membranes, Electroanalysis 21(17-18):1923-1930, 2009
Sundfors F, Lindfors T, Höfler L, Bereczki R, Gyurcsányi RE: FTIR-ATR Study of Water Uptake and Diffusion through Ion-Selective Membranes Based on Poly(acrylates) and Silicone Rubber, Analytical Chemistry 81(14):5925-5934, 2009
Lindner E; Gyurcsányi ER: Quality control criteria for solid-contact solvent polymeric membrane ion-selective electrodes, Journal of Solid-State Electrochemistry 13:51-68, 2009
Bodor S; Zook JM; Lindner E; Tóth K; Gyurcsányi RE: Chronopotentiometric method for the assessment of ionophore diffusion coefficients in solvent polymeric membranes, Journal of Solid-State Electrochemistry 13:171–179., 2009
Zook JM; Buck RP; Gyurcsányi RE; Lindner E: Mathematical Model of Current-Polarized Ionophore-Based Ion-Selective Membranes: Large Current Chronopotentiometry, Electroanalysis 20(3):259-269, 2008
Lindfors T; Höfler L; Jágerszki G; Gyurcsányi RE: Hyphenated FT-IR-Attenuated Total Reflection and Electrochemical Impedance Spectroscopy Technique to Study the Water Uptake and Potential Stability of Polymeric Solid-Contact Ion-Selective Electrodes, Analytical Chemistry 83:4902-4908, 2011
Höfler L, Bedlechowicz I, Vigassy T, Gyurcsányi RE, Bakker E, Pretsch E: Limitations of Current Polarization for Lowering the Detection Limit of Potentiometric Polymeric Membrane Sensors, Analytical Chemistry 81(9):3592-3599, 2009
Lindfors T; Szűcs J; Sundfors F; Gyurcsányi RE: Polyaniline Nanoparticle-Based Solid-Contact Silicone Rubber Ion-Selective Electrodes for Ultratrace Measurements, Analytical Chemistry 82(22):9425-9432, 2010
Lindfors T; Sundfors F; Höfler L; Gyurcsányi RE: The Water Uptake of Plasticized Poly(vinyl chloride) Solid-Contact Calcium-Selective Electrodes, Electroanalysis 23:2156-2163., 2011
Sundfors F; Höfler L; Gyurcsányi RE; Lindfors T: Influence of Poly(3-octylthiophene) on the Water Transport Through Methacrylic-Acrylic Based Polymer Membranes, Electroanalysis 23:1769-1772., 2011
Lautner G; Balogh Z; Gyurkovics A; Gyurcsanyi RE; Meszaros T: Homogeneous assay for evaluation of aptamer-protein interaction, Analyst, 2012
Syritski V; Reut J; Menaker A, Gyurcsányi RE; Öpik A: Electrosynthesized molecularly imprinted polypyrrole films for enantioselective recognition of L-aspartic acid, Electrochimica Acta 53:2729-2736., 2008
Bodor S; Zook MJ; Lindner E; Tóth K; Gyurcsányi ER: Electrochemical methods for the determination of the diffusion coefficient of ionophores and ionophore–ion complexes in plasticized PVC membranes, Analyst 133:635-642, 2008
Gyurcsányi RE; Höfler L; Cserkaszky Á; Varga T; Lautner G; Jágerszki G; Fürjes P; Tóth AL: Chemically Modified Solid-State Nanopores for Sensing, Abstract #Th10 Mátrafüred08 International Conference on Electrochemical Sensors, October 5-10, 2008, Dobogókő, Hungary, 2008
Lautner G; Szűcs J; Gyurcsányi ER; Balogh Z; Bardóczy V; Mészáros T; Komorowska A: Selective Detection of Plant Virus Coat Proteins by Aptamer Based Biochips, Absztrakt #Th21 Mátrafüred08 International Conference on Electrochemical Senso1rs, October 5-10, Dobogókő, Hungary, 2008
Menaker A; Syritski V; Reut J; Öpik A; Horváth V; Gyurcsányi RE: Electrosynthesised Surface Imprinted Conducting Polymer Microrods for Selective Protein Recognition, Absztrakt # Mo8 Mátrafüred08 International Conference on Electrochemical Sensors, October 5-10, 2008, Dobogókő, Hungary, 2008
Horváth V; Gyurcsányi RE; Ceolin G; Syritski V; Menaker A; Reut J; Öpik A: Molecularly Imprinted Conducting Polymers for Protein Assays, Absztrakt # 1190-3 P Pittcon 08, March 1-7, New Orleans, USA, 2008
Gyurcsányi RE; Pretsch E; Höfler L; Szűcs J; Vigassy T: Bioassays with Potentiometric Detection, Absztrakt # 340-5 Pittcon 2008, March 1-7, New Orleans, USA, 2008
Gyurcsányi RE; Jágerszki G, Höfler L;Szűcs J; Lautner G; Tóth K; Bitter I; Grün A: Ion Transport and Nanostructures-Assisted Potentiometry, Absztrakt #14 Mátrafüred08 International Conference on Electrochemical Sensors, October 5-10, 2008, Dobogókő, Hungary, 2008
Syritski V; Menaker A; Gyurcsányi ER; Jágerszki G; Reut J; Öpik A: Synthesis and characterization of conducting polymer/magnetite nanorods, 58th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry September 9-14, Banff, Canada, 2007
Syritski V; Menaker A; Gyurcsányi RE; Horváth V; Reut J; Öpik A: Surface imprinted microrods of Nucleotide-conducting polymer composites for protein recognition, 5th International Workshop on Molecular Imprinting (MIP2008), September 7-11, 2008, Kobe, Japan (poster 2P-40), 2008
Gyurcsányi ER; Jágerszki G; Takács Á; Bitter I: Nanostructures Assisted Ion Sensing, Pittcon 2010, Orlando, FL, USA, February 28-March 5, 2010
Gyurcsányi ER; Höfler L;Varga T; Takács Á; Lautner G; Jágerszki G; Tóth AL; Fekete Z; Gubán G; Fürjes P;: Chemically modified solid-state single gold nanopores for biochemical sensing, E-MRS 2010 Spring Meeting (Strasbourg June 7-11), 2010
Gyurcsányi ER; Höfler L; Jágerszki G; Fekete Z; Gubán G; Fürjes P: Chemically modified solid-state gold nanopores for biochemical sensing, Biosensors 2010, 20th Anniversary World Congress on Biosensors, Glasgow, UK , May 26-28 [P2.1.025], 2010
Syritski V; Kaev J;, Reut J; Öpik A; Gyurcsányi ER; Rappich J,: Micropatterned Surface Imprinted PEDOT Films for Selective Protein Recognition, 60th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, August 16-21,Beijing, China, 2009
Czirok JB; Juhász I; Simon A; Jágerszki G; Gyurcsányi ER; Bitter I: Synthesis, Characterization, and Potentiometric Evaluation of Triazole-Modified Calix[4]arene Ionophores, Mátrafüred'11 International Conference on Electrochemical Sensors, Dobogókő, Hungary, June 19-24, 2011
Szeitner Z; Nagy KS; Lautner G; Gyurcsányi RE; Mészáros T: Selection and Binding Properties of Cardiac Specific Troponin Aptamers, Mátrafüred'11 International Conference on Electrochemical Sensors, Dobogókő, Hungary, June 19-24, 2011
Gyurcsányi RE; MakraI; Jágerszki G; Mészáros T;Tóth AL; Fürjes P: Solid-State Gold Nanopores Modified by Aptamer Receptors for Biochemical Sensing, International Conference on Electrochemical Sensors, TU11 p87, Dobogókő, Hungary, 2011
Gyurcsányi RE: Chemically modified solid-state nanopores for sensing, Summer School on Single Molecule Biophysiscs, Leuven, Belgium, August 15-19, 2010
Gyurcsányi RE; Bitter I; Jágerszki G;Takács Á: Ionophore-Modified Nanopores as Solid-State Ion-Channels for Potentiometric Sensing, 9th Spring Meeting of the International Society of Electrochemistry: Electrochemical Sensors 8-11 May, Turku, Finland, 2011
Gyurcsányi RE; Jágerszki G; Takács Á; Bitter I: Ion-Selective Solid-State Ion-Channels for Potentiometric Sensing, Mátrafüred'11 International Conference on Electrochemical Sensors, Dobogókő, Hungary, June 19-24, 2011
Szűcs J; Batjargal N; Strangl P; Gyurcsányi RE: Towards Potentiometric Dot-Blot Assay, Mátrafüred'11 International Conference on Electrochemical Sensors, Dobogókő, Hungary, June 19-24, 2011
Lautner G; Rappich J; Syritski V; Gyurcsányi RE: Detection of Proteins Using Micropatterned Surface-Imprinted Polymer Based SPR Sensors, Mátrafüred'11 International Conference on Electrochemical Sensors, Dobogókő, Hungary, June 19-24, 2011
Bognár J; Lautner G; Ceolin G; Syritski V; Horváth V; Gyurcsányi RE: Towards Surface-Imprinted Nanostructures for Selective Protein Recognition, Mátrafüred'11 International Conference on Electrochemical Sensors, Dobogókő, Hungary, June 19-24, 2011
Lindner E; Gyurcsányi RE; Pretsch E: Potentiometric Ion Sensors: Host–Guest Supramolecular Chemistry in Ionophore-Based Ion-Selective Membranes, pp. 81-104, in: Applications of supramolecular chemistry for 21st century technology. H.-J. Schneider xi, 441 p. Taylor & Francis, Boca Raton, 2012
Gyurcsányi ER; Jágerszki G; Bakk TD; Fekete Z; Fürjes P: Microfluidically Addressable Solid State Nanopores for Biochemical Sensing and Counting, # 550-13, Pittcon 2012, March 11–15, Orlando, FL. USA, 2012
Gyurcsányi RE;Jágerszki G; Fürjes P: Chemically modified nanopores for selective sensing, #1600-2, Pittcon 2012, March 11–15, Orlando, FL. USA, 2012, 2012
Gyurcsányi RE; Jágerszki G; Lautner G; Fürjes P; Makra I; Syritski V: Nanostructures and synthetic ligands for label-free detection of proteins, NATO Advanced Research Workshop, 1-4 July, Snogeholm castle, Lund (Sjöbo), Swede, 2011



Back »