Optical resonances in functionalized protein assemblies for label-free sensing  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
73084
Type PD
Principal investigator Horváth, Róbert
Title in Hungarian Optikai rezonanciák funkcionalizált fehérje elrendezésekben jelölésmentes optikai érzékeléshez
Title in English Optical resonances in functionalized protein assemblies for label-free sensing
Keywords in Hungarian optikai érzékelés, bioszenzor, fehérjék
Keywords in English optical sensing, biosensor, proteins
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)80 %
Ortelius classification: Applied physics
Medical engineering and technology (Council of Medical and Biological Sciences)20 %
Panel Physics 1
Department or equivalent MTA Research Institute for Technical Physics and Materials Science
Starting date 2008-10-01
Closing date 2011-10-31
Funding (in million HUF) 20.107
FTE (full time equivalent) 2.42
state closed project
Summary in Hungarian
Mikrométer alatti méretskálájú fém illetve dielektrikum struktúrákban optikai rezonanciák figyelhetőek meg. Jól ismert ilyen rezonanciák a hideg eletronplazma oszcillációi vékony fémfelületen (felületi plazmon rezonancia) vagy pedig egy vékony dieletrikum film optikai módusai (hullámvezető módusok). Ezen rezonátorok kis mérte (tipikusan 50-200 nm legalább az egyik dimenzióban) ideálissá teszi őket fehérjék vagy hasonló kisebb méretű anyagok detektálására, mivel ezek jelenléte nagymértékben befolyásolja a rendszer rezonanciaképességét. Gyakorlati alkalmazásokban (pl. fehérje chipek) az így kapott szenzorok általában antitesteket használnak felismerőrétegként. Ezek a fehérjék azonban drágák, nem stabilak és nehéz őket előállítani, ezért fontos lenne az antitestek helyettesítése más érzékelő molekulákkal. A flagellin - a bakteriális flagellumok alegysége - egy fehérje, amelyből hosszú filamentumok polimerizálhatók. Génsebészet vagy kémiai kezelés segítségével a flagellin középső szakasza receptortulajdonságokkal ruházható fel. Ezekből a módosított flagellinmolekulákból pedig különböző filamentális objektumok építhetőek. A jelen projekt témája ezen funkcionalizált ''nanocsövek'' optikai karakterizálása, illetve önszerveződésük kinetikájának tanulmányozása. Mindezek célja, hogy a filamentumokból olyan multirétegeket építsünk fel amelyek funkcionalizált optikai rezonátorként viselkednek. A jelen alapkutatás nagy valószínűséggel új irányokat nyit az anyagtudományok és a bioszenzorika területén.
Summary
Dielectric or metal structures with submicrometer dimensions can support various optical resonances. Typical examples for such resonances are the oscillations of the cold electron plasma on the surface of a thin metal film (Surface Plasmon Resonance) or the optical modes of a thin dielectric film (Waveguide Modes). The small size (typically 50-200 nm at least in one dimension) of these resonators makes them ideal for detecting proteins or other small analytes since their presence significantly affects the resonance properties. In practical applications (like protein microarrays) these sensors usually apply antibodies as recognition elements. However, these proteins are expensive, poorly stable and hard to prepare. It is highly desirable to replace antibodies with other kind of sensing molecules. Flagellin, the subunit protein of bacterial flagellar filaments, is a protein polymerizable to form long filaments. Using genetic engineering or chemical treatment the central portion of flagellin can be modified to give it receptor functionality. These modified flagellins can be used to build various filamentous objects. The present project focuses on the optical characterization of these functionalized “nanorods” and the study of the self-assembly kinetics of the filaments to build-up multilayers to create novel optical resonators with built-in functionality. This basic research is likely to trigger new directions in materials science and optical sensing.




 

Final report

  
Results in Hungarian
After 7 years of intensive research in Denmark and in England the present fellowship gave Robert Horvath the possibility to come back to Hungary and join the Research Institute of Technical Physics and Materials Science (MTA MFA). At the host institute a long term strategic plan is to build up a strong research direction in the field of biological and chemical sensing and conduct basic and applied research in these fields. During the present project not only novel label-free biosensor configurations with extremely high sensitivities were realized, but using the developed and commercially available biosensor platforms (OWLS) the self-assembly and surface behavior of biological thin films and living cells were investigated too. As an interesting finding, oriented protein adsorption was revealed by monitoring the birefringence of monomolecular flagellin films. The same methodology was applied to measure exchange processes in supported lipid bilayers without using any molecular labels. The self-assembly of protein-polyelectrolyte films were also followed at the nanometer scale, proving - for example - that the protein flagellin can be easily incorporated into oppositely charged polymeric films; potentially creating functional nanolayers with receptor or enzymatic properties.
Results in English
A jelen OTKA projekt lehetőséget nyújtott arra, hogy Horváth Róbert 7 évig tartó, Dániában és Angliában folytatott kutatómunkája után hazatérjen. Az MTA MFA fogadó intézményben hosszú távú stratégiai cél a biológiai és kémiai szenzorok alap illetve alkalmazott kutatásának a megerősítése. Az elvégzett kutatómunka eredményesen illeszkedett ezekhez az elképzelésekhez. A projekt keretében nem csupán nagy érzékenységű jelölésmentes optikai bioszenzorok sikeres fejlesztése zajlott, hanem felhasználásukkal és kereskedelmi szenzorok (OWLS) segítségével biológiai filmek és élő sejtek önszerveződései, felületi viselkedései is tanulmányozásra kerültek. Egy fontos eredményként bizonyítást nyert, hogy a felületre adszorbeálódó fehérje filmek optikai kettőstörésének vizsgálatával a molekulák felületi orientációjáról hasznos információ nyerhető. Ugyanennek a metodikának a segítségével kicserélődési folyamatok tanulmányozhatóak lipid kettősrétegekben, mindenféle jelölő molekula alkalmazása nélkül. Továbbá, fehérje-polielektrolit kompozit filmek önszerveződésének vizsgálata során kimutatásra került, hogy a flaggellin fehérje sikeresen beépíthető ellentétesen töltött polimer filmekbe. Ezen eredmények egy új lehetőséget nyújtanak flagellin alapú funkcionális bevonatok előállítására, amelyek például receptor vagy enzimatikus tulajdonságokkal rendelkeznek.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=73084
Decision
Yes





 

List of publications

  
Kurunczi, R. Horvath, YP Yeh, A. Muskotál, A. Sebestyén, F. Vonderviszt, JJ Ramsden: Self assembly of rodlike receptors from bulk solutions, The Journal of Chemical Physics, Volume 130, Issue 1, pp. 011101-011101-4, 2009
P. Kozma, A. Hamori, K. Cottier, S. Kurunczi, R. Horvath: Grating coupled interferometry for optical sensing, Applied Physics B: Lasers and Optics Volume 97, Number 1 / September, 2009
Horváth R.: Az élő anyag optikai vizsgálata, (meghívott előadás) MTA Szilárdtestfizikai szekció, 2009
Horváth R.: Cells on optical waveguides, Biological Surfaces and Interfaces, ESF-EMBO Symposium, 2009
Nemeth, Andrea; Kozma, Peter; Hülber, Tímea; Kurunczi, Sándor; Horvath, Robert; Petrik, Peter; Muskotál, Adél; Vonderviszt, Ferenc; Hős, Csaba; Fried, Miklós; Gyulai, József; Bársony, István: In Situ Spectroscopic Ellipsometry Study of Protein Immobilization on Different Substrates Using Liquid Cells, Sensor Letters, Volume 8, Number 5, October 2010 , pp. 730-735(6), 2010
Farahnaz Ansari, Masoud Kavosh, Robert Horvath and Jeremy J. Ramsden: Particle speciation during PEG–Fe3O4 hybrid nanoparticle self-assembly on Si(Ti)O2, Sensor Letters, Volume 8, Number 5, October 2010 , pp. 730-735(6), 2010
Robert Horvath: Optical waveguide biosensors for proteins and cells, Invited Talk at ICOOPMA 2010 Budapest, 2010
N. Kovacs, N. Orgovan, S. Kurunczi, R. Horvath, F. Vonderviszt, J.J. Ramsden: Flagellin based protein layers for biosensing, Nanobio Zurich 2010 Conference, 2010
Noémi Kovács, Daniel Patkó, Norbert Orgován, Sándor Kurunczi, Jeremy J. Ramsden, Ferenc Vonderviszt and Robert Horvath1: Optical anisotropy of flagellin layers: in-situ and label-free measurement of adsorbed protein orientation, under submission, 2011
Daniel Patko, Kaspar Cottier, Andras Hamori and Robert Horvath: Single beam grating coupled interferometric biosensor with multiple sensing channels, under submission, 2011
Peter Kozma ,András Hámori, Sándor Kurunczi, Kaspar Cottier and Robert Horvathrt: Grating coupled optical waveguide interferometer for label-free biosensing, Sensors and Actuators B, 2011
JJ Ramsden and R. Horvath: Optical biosensors for cell adhesion, JOURNAL OF RECEPTOR AND SIGNAL TRANSDUCTION RESEARCH, 2009
Robert Horvath: Optical Resonances with Tunable Probing Volume for Label-free Biosensing., ETH Zurich - Bioplasmonics 2010, 2010
A Aref, R Horvath, J J Ramsden: Spreading kinetics for quantifying cell state during stem cell differentiation., Journal of Biological Physics and Chemistry, 2010
Balázs Kobzi, Robert Horvath and Éva Kiss: Label-free measurement of exchange processes in lipid bilayers, under preparation, 2011
Farahnaz Ansari, Masoud Kavosh, Robert Horvath, Mohammad Reza Ghalamboran, and Jeremy J. Ramsden: Bacterial Adsorption Onto Monolayer Ferromagnetic Nanofilms, Journal of Bionanoscience, 2010
Patko, D; Hamori, A ; Cottier, K; Kurunczi, S; Horvath, R: Label free biosensing using Grating Coupled Interferometry, EUROPEAN BIOPHYSICS JOURNAL WITH BIOPHYSICS LETTERS, 2011
P. Kozma, D. Kozma, A. Nemeth, H. Jankovics, S. Kurunczi, R. Horvath, F. Vonderviszt, M. Fried, P. Petrik: In-depth characterization and computational 3D reconstruction of flagellar filament protein layer structure based on in situ spectroscopic ellipsometry measurements, APPLIED SURFACE SCIENCE Volume: 257 Issue: 16 Pages: 7160-7166, 2011
Dortu, F Egger, H Kolari, K Haatainen, T Furjes, P Fekete, Z Bernier, D Sharp, G Lahiri, B Kurunczi, S Sanchez, JC Turck, N Petrik, P Patko, D Horvath, R Eiden, S Aalto, T Watts, S Johnson, NP De La Rue, RM Giannone, D AF Dortu, F. Egger, H. Kolari, K. Haatainen, T. Furjes, P. Fekete, Z. Bernier, D. Sharp, G. Lahiri, B. Kurunczi, S. Sanchez, J. -C. Turck, N. Petrik, P. Patko, D. Horvath, R. Eiden, S. Aalto, T. Watts, S. Johnson, N. P. De La Rue, R. M. Giannone, D. BE Ramanujam, N Popp, J: Design and process development of a photonic crystal polymer biosensor for point of care diagnostics, CLINICAL AND BIOMEDICAL SPECTROSCOPY AND IMAGING II Proceedings of SPIE, 2011
N. Aggarwal, K. Lawson, M. Kershaw, R. Horvath, J. Ramsden: Protein adsorption on heterogeneous surfaces, APPLIED PHYSICS LETTERS 94, 8, 083110, 2009
Robert Horvath: Evanescent optical waves for label-free monitoring of live cell status and behavior, 2011 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series, art. no. 6000051, pp. 73-74. , invited, 2011



Back »