Artificial receptors based on surface imprinted electrosynthesized polymer nanostructures for protein sensing  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
117637
Type NN
Principal investigator Gyurcsányi, Ervin Róbert
Title in Hungarian Felületi lenyomatú polimer nanoszerkezeteken alapuló szintetikus receptorok fehérjék meghatározásához
Title in English Artificial receptors based on surface imprinted electrosynthesized polymer nanostructures for protein sensing
Keywords in Hungarian kémiai érzékelés, molekuláris lenyomatú polimerek, fehérje felismerés, szintetikus receptorok, felületi plazmon rezonancia
Keywords in English chemical sensing, molecularly imprinted polymer, protein recognition, artificial receptors, surface plasmon resonance
Discipline
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Chemical and biosensors
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Inorganic and Analytical Chemistry (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Erdőssy, Júlia
Horváth, Viola
Jágerszki, Gyula
Starting date 2015-09-01
Closing date 2019-08-31
Funding (in million HUF) 34.356
FTE (full time equivalent) 6.20
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 pályázat célkítűzése biomakromolekulák szelektív felismerésére alkalmas nanostruktúrált molekuláris lenyomatú polimerek kifejlesztése. Ennek érdekében új felületi lenyomatképző stratégiákat és elektroaktív monomereket tervezünk bevezetni fehérje szelektív, molekuláris lenyomatú polimerek kontrollált elektroszintéziséhez. A következő eredeti koncepciókat szeretnénk a pályázat során megvalósítani és tanulmányozni:
- nanoszerkezetű molekuláris lenyomatú polimerek előállítása felületi fehérje lenyomatképzéssel, nanogömb litográfia és vektoriálisan orientált templátok alkalmazásával;
- fehérjék szelektív felismerésére alkalmas új típusú funkcionális monomerek bevezetése és alkalmazása felületi lenyomatú polimerek előállítására;
- többrétegű molekuláris lenyomatú polimerek előállítása a nemspecifikus kölcsönhatások visszaszorításának érdekében;
- fehérje szelektív molekuláris lenyomatú polimerek nagy áteresztőképességű előállítására és vizsgálatára alkalmas módszerek kifejlesztése (pl. mikroelectrocseppentés és képalkotó felületi plazmon-rezonancia alkalmazásával).

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 kis molekulatömegű célvegyületek esetében sikeresen alkalmazott molekuláris lenyomatképzés kiterjesztése biológiai eredetű makromolekulák meghatározára jelentős nehézségekben ütközik. Jelenleg csak nagyon kevés, általában a felismerést jelentősen megkönnyítő jellegzetes tulajdonságú, fehérjék esetében volt sikeres a molekuláris lenyomatképzés. Az áttörést új típusú funkcionális monomerek, új fehérje kompatibilis felületi lenyomatképzési stratégiák és az előállítási folyamat gyakorlatilag molekuláris szintű szabályozása hozhatja meg. Emellett, a jelenleg nagyrészt empirikus jellegű megközelítését a molekuláris lenyomatképzésnek nagymértékben segítené nagyáteresztőképességű előállítási és vizsgálati módszerek bevezetése amely szintén a pályázat célkítűzése.

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!
A kutatás során olyan molekuláris lenyomatú polimerek előállítását és vizsgálatát tervezzük, amelyek orvosdiagnosztikai szempontból fontos fehérjék szelektív felismerésére alkalmasak. Molekuláris lenyomatú polimereken alapuló szintetikus receptorokat tervezünk az acetilkolinészteráz enzim (AChE), glikozilált hemoglobin (HbA1C), ferritin (Fer), transzferrin (Tran) fehérjékre. Az AchE az Alzheimer kór egyik markerje, a Fer és Tran a szervezet vas metabolizmusának általános markerei, míg a HbA1C az átlagos vércukorszintről (hosszútávú vércukor) ad információt. Emellett az előállított molekuláris lenyomatú fehérjék vizsgálata alapot szogáltathat további alkalmazásokra mint például fehérje kristályosítás, szelektív enzim inhibíció és bioszimilaritás megállapítása.

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 diagnosztikai szempontból fontos fehérjék szelektív felismerésére alkalmas "műanyag antitestek" előállítását tervezi. Ezek az olcsóbb és környezeti hatásokra kevésbé érzékény szintetikus antitestek kiválthatják a jelenleg alkalmazott antitesteket diagnosztikai tesztekben. A "műanyag antitestek" előállítására új típusú monomereket és eljárásokat tervezünk bevezetni, amelyek a molekuláris lenyomatképzés elvén müködnek. Ennek lényege, hogy a monomereket a fehérje célvegyület jelenlétében polimerizáljuk és ezáltal a célvegyület, akár egy sablon, a saját lenyomatát képezi a polimerben.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The present proposal aims at extending the generic principle of molecular imprinting to biomacromolecules, i.e., proteins, peptides, and glycoproteins in order to generate vectorial, nanostructured artificial receptors having selectivities approaching those of antibodies.
At the core of the proposed research is the implementation of novel surface imprinting strategies in combination with the use of electroactive monomers, for utmost molecular level control of molecular imprinted polymers by electrosynthesis. The following original concepts are going to be pursued within the project:
• implementation of novel innovative strategies for surface imprinting such as nanosphere imprinting and electropolymerization around vectorially oriented templates that provides polymeric nanostructures with high specific surface area;
• implementation of a wide range of water soluble electroactive monomers carrying complementary functional groups able to cover the range of interactions essential to selective recognition;
• use of multilayer films to protect non-imprinted surfaces from nonspecific adsorption;
• development of high-throughput fabrication and testing methodologies, i.e., electrospotting, for assessment of the binding kinetics by in-situ deposition of the surface imprinted polymers on surface plasmon resonance imaging chips. Additionally, the development of a new, general approach for electrochemical transduction of MIP-sensors is an objective of this study.

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.
Despite of the importance of generating robust synthetic receptors for biomacromolecules it was reported that less than 2 % of the MIP literature involves aspects of macromolecular imprinting, which reflects the difficulties of imprinting large, delicate biomolecules. Additionally, the range of implemented protein targets is very narrow and rather restricted to templates with distinct properties, such as high isoelectric point or hydrophobicity, which facilitates the imprinting. This is a strong indication that the field of macromolecular imprinting is still very much at the proof of concept level and an enhancement in selectivity and affinity is required. The paradox that needs to be addressed, which nature has solved by evolution for biological receptors, is that proper recognition sites need building blocks rich in complementary functionalities to their target, however, such units are likely to generate high levels of non-specific binding.

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 project will involve surface imprinting of the following proteins: acetylcholinesterase (AChE), glycated hemoglobin (HbA1C), ferritin (Fer), transferrin (Tran), hIgG-Fab and hIgG-Fc region. Special emphasis will be given to diagnostic biomarkers, i.e., Fer and Tran (general markers of iron metabolism), AChE (marker for Alzheimer’s disease) and HbA1C (marker of the long-term progression of diabetes) to tackle the practical applicability of surface imprinted nanostructures. The study is expected to provide also a fundament for the development of MIP-based platforms for new emerging applications of MIPs such as their use to facilitate protein crystallization, to prepare selective artificial enzyme inhibitors, and biosimilarity investigations.

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.
Upon completion, this study can lead to the development of new MIP-based synthetic receptors (plastic antibodies) that can replace antibodies in a series of diagnostic assays and sensing devices.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A molekuláris lenyomatképzés során egy “sablon” molekula jelenlétében megfelelő funkcionalitású monomereket polimerizálva a sablon molekulára szelektív kötőhelyeket lehet kialakítani. Az egyik legnagyobb kihívás ezen a kutatási területen a fehérjék szelektív felismerésére alkalmas molekuláris lenyomatú polimerek (MIP) előállítása. A kutatási projektben átfogó megoldásokat dolgoztunk ki a fehérje lenyomatképzés sikeres megvalósítására. - Új, elektroszintézisen alapuló módszereket dolgoztunk ki MIP-ek előállítására, amelyek során a fehérje sablon szerkezeti változása elkerülhető. - Elektrokémiai szintézissel sikerült kontrollált módon a fehérjék átmérőjével összemérhető vastagságú MIP nanofilmeket előállítani. Ezeket párosítva az általunk bevezetett elektrokémiai mikrocseppentéses eljárással megvalósítottuk a MIP nanofilmeken alapuló fehérje chipek nagy áteresztőképességű előállítását. Ezeket a MIP nanofilmeket sikeresen alkalmaztuk fehérjék jelölés nélküli meghatározására felületi plazmon rezonancia képalkotással és elektrokémiai detektálással. - Új monomereket és monomer könyvtárakat szintetizáltunk vektoriális lenyomatképzésre és hibrid MIP-ek előállítására. A kutatás során magyarázatot adtunk a MIP-fehérje kölcsönhatásoknál esetenként tapasztalt irreálisan nagy affinitási állandókra és szelektivitási anomáliákra. A projekt során nagyszámú fehérjére állítottunk elő MIP nanofilmeket, amelyek gyakorlati alkalmazhatóságát is sikerült több esetben bizonyítani.
Results in English
Molecular imprinting is a concept to generate materials with “molecular memory” by polymerization of suitable functional monomers in the presence of a target molecule acting as a template. Imprinting polymers with proteins is extremely challenging. This relates mainly with their fragility, as well as the difficulty to avoid permanent entrapment and generation of cross-reactive binding sites. In this project we addressed these fundamental difficulties of protein imprinting. • We introduced novel electrosynthetic methods for the preparation of molecularly imprinted polymers (MIPs) that enable imprinting in mild conditions to avoid target denaturation. • We introduced methods to generate polymer nanofilms with thicknesses comparable with the diameter of the protein targets. These included microelectrospotting for high throughput electrosynthesis of MIP-based protein chips. Such MIP nanofilms were successfully used for affinity assays using either multiplexed surface plasmon resonance imaging or electrochemical detection. • Novel functional monomers and monomer libraries were custom synthesized and implemented in combination with vectorial imprinting and hybrid MIPs. We also identified a number of fundamental artifacts that may lead to unrealistic affinity constants for protein MIP interactions. A large number of protein targets were tested and for some of them (human serum albumin, glycosylated hemoglobin, acetylcholinesterase) the practical applicability is imminent.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=117637
Decision
Yes





 

List of publications

  
Jetzschmann KJ, Jágerszki G, Dechtrirat D, Yarman A, Gajovic-Eichelmann N, Gilsing HD, Schulz B, Gyurcsányi RE, Scheller FW: Vectorially Imprinted Hybrid Nanofilm for Acetylcholinesterase Recognition, Advanced Functional Materials, 2015
Bosserdt M, Erdőssy J, Lautner G, Witt J, Kohler K, Gajovic-Eichelmann N, Yarman A, Wittstock G, Scheller FW, Gyurcsányi RE: Microelectrospotting as a new method for electrosynthesis of surface-imprinted polymer microarrays for protein recognition, Biosensors and Bioelectronics, 2015
Erdőssy J, Horváth V, Yarman A, Scheller FW, Gyurcsányi RE: Electrosynthesized molecularly imprinted polymers for protein recognition, TrAC- Trends in Analytical Chemistry, 2016
Menger M, Yarman A, Erdőssy J, Yildiz HB, Gyurcsányi RE, Scheller FW: MIPs and Aptamers for Recognition of Proteins in Biomimetic Sensing, Biosensors, 2016
He N, Gyurcsányi RE, Lindfors T: Electropolymerized hydrophobic polyazulene as solid-contacts in potassium-selective electrodes, Analyst, 2016
Jetzschmann KJ, Jágerszki G, Dechtrirat D, Yarman A, Gajovic-Eichelmann N, Gilsing HD, Schulz B, Gyurcsányi RE, Scheller FW: Vectorially Imprinted Hybrid Nanofilm for Acetylcholinesterase Recognition, Advanced Functional Materials, 25: 5178–5183, 2015
Bosserdt M, Erdőssy J, Lautner G, Witt J, Kohler K, Gajovic-Eichelmann N, Yarman A, Wittstock G, Scheller FW, Gyurcsányi RE: Microelectrospotting as a new method for electrosynthesis of surface-imprinted polymer microarrays for protein recognition, Biosensors and Bioelectronics, 73, 123-129, 2015
Erdőssy J, Horváth V, Yarman A, Scheller FW, Gyurcsányi RE: Electrosynthesized molecularly imprinted polymers for protein recognition, TrAC- Trends in Analytical Chemistry, 79, 179-190, 2016
Menger M, Yarman A, Erdőssy J, Yildiz HB, Gyurcsányi RE, Scheller FW: MIPs and Aptamers for Recognition of Proteins in Biomimetic Sensing, Biosensors 6(3), 35, 2016
He N, Gyurcsányi RE, Lindfors T: Electropolymerized hydrophobic polyazulene as solid-contacts in potassium-selective electrodes, Analyst, 141, 2990-2997, 2016
Stojanovic Z, Erdőssy J, Keltai K, Scheller FW, Gyurcsányi RE: Electrosynthesized molecularly imprinted polyscopoletin nanofilms for human serum albumin detection, Analytica Chimica Acta, 977, 1-9, 2017
He N, Papp S, Lindfors T, Höfler R, Latonen RM, Gyurcsányi RE: Pre-Polarized Hydrophobic Conducting Polymer Solid-Contact Ion-Selective Electrodes with Improved Potential Reproducibility, Analytical Chemistry 89 (4), 2598–2605, 2017
Scheller FW, Jetzschmann KJ, Zhang X, Yarman A, Wollenberger U, Erdőssy J, Gyurcsányi RE: Electrosynthesized MIPs for Proteins: Plastibodies or Nano-Filters, International Conference on Electrohemical Sensors, 2017
Páncsics MM, Horváth V, Gyurcsányi RE: Fluorescence Anisotropy Measurement to Assess Protein Binding to Nanoparticles, International Conference on Electrohemical Sensors, 2017
Stojanovic Z, Erdőssy J, Keltai K, Scheller FW, Gyurcsányi RE: Electrosynthesized molecularly imprinted polyscopoletin nanofilms for human serum albumin detection, Analytica Chimica Acta, 977, 1-9, 2017
He N, Papp S, Lindfors T, Höfler R, Latonen RM, Gyurcsányi RE: Pre-Polarized Hydrophobic Conducting Polymer Solid-Contact Ion-Selective Electrodes with Improved Potential Reproducibility, Analytical Chemistry 89 (4), 2598–2605, 2017
Zhang Xiaorong; Yarman Aysu; Erdőssy Júlia; Katz Sagie; Zebger Ingo; Jetzschmann Katharina J; Altintas Zeynep; Wollenberger Ulla; Gyurcsányi Ervin Róbert; Scheller Frieder W: Electrosynthesized MIPs for transferrin: Plastibodies or nano-filters?, BIOSENSORS & BIOELECTRONICS, 105, 29-35., 2018
Szakács Z; Mészáros T; De Jonge MI; Gyurcsányi RE: Selective counting and sizing of single virus particles using fluorescent aptamer-based nanoparticle tracking analysis, Nanoscale, 10 (29), 13942-13948., 2018
Gyurcsányi RE; Szakács Z; Stojanovic Z.; Erdőssy J; Mészáros T; Scheller FW: Selective Synthetic Receptors for Proteins: Approaching Practical Applications, Pittcon 2018. 27 Feb - 1 Mar 2018, Orlando, FL, USA, 2018
Zhang Xiaorong; Yarman Aysu; Erdőssy Júlia; Katz Sagie; Zebger Ingo; Jetzschmann Katharina J; Altintas Zeynep; Wollenberger Ulla; Gyurcsányi Ervin Róbert; Scheller Frieder W: Electrosynthesized MIPs for transferrin: Plastibodies or nano-filters?, BIOSENSORS & BIOELECTRONICS, 105, 29-35., 2018
Simon L, Gyurcsányi RE: Multiplexed assessment of the surface density of DNA probes on DNA microarrays by surface plasmon resonance imaging, Analytica Chimica Acta, 1047, 131-138, 2019
Scheller FW, Zhang X, Yarman A, Wollenberger U, Gyurcsányi RE: Molecularly imprinted polymer-based electrochemical sensors for biopolymers, Current Opinion in Electrochemistry, 2019
Jetzschmann KJ, Tank S, Jágerszki G, Gyurcsányi RE, Wollenberger U, Scheller FW: Bio‐Electrosynthesis of Vectorially Imprinted Polymer Nanofilms for Cytochrome P450cam, ChemElectroChem, 6,1818-1823., 2019
Papp S, Bojtár M, Gyurcsányi RE, Lindfors T: Potential Reproducibility of Potassium-Selective Electrodes Having Perfluorinated Alkanoate Side Chain Functionalized Poly(3,4-ethylenedioxytiophene) as a Hydrophobic Solid Contact, Analytical Chemistry, 9, 114, 9111-9118, 2019
Terejánszky P, Papp S, Berényi S, Gyurcsányi RE: Resistive Pulse Sensing as a High-Resolution Nanoparticle Sizing Method: A Comparative Study, Particle & Particle Systems Characterization, 36, 1800543., 2019
Scheller FW, Yarman A, Zhang X, Appelt KJ, Wollenberger U, Caserta G, Zebger I, Lenz O, Ozcelikay G, Kurbanoglu S, Ozkan SA, Gyurcsányi ER: Peptides, Tags and Proteins as Templates in Electrosynthesized Mips, International Conference on Chemical Sensors, 2019
Supala E, Bojtár M, Gyurcsányi ER: Protein Recognition with Molecularly Imprinted Polymer Based on EDOT-Derivatives, International Conference on Chemcal Sensors, Visegrád, June 16-21, 2019
Zhang X, Yarman A, Caserta G, Zebger I, Wollenberger U, Gyurcsányi RE, Scheller FW: Fully Electrochemical Mip for the N-Terminal Peptide of Human Hemoglobin, International Conference on Chemical Sensors, Visegrád, June 16-21, 2019



Back »