Yeni küçük molekül algılama yönteminde eşleştirilmiş DNA iplikçikleri, yalnızca diziyi değil, şekli de tanıyor

Bilmeseniz bile muhtemelen daha önce sandviç tahlili yapmışsınızdır. Sandviç analizleri, evde yapılan COVID testi gibi yanal akış testlerinin arkasındaki moleküler algılama teknolojisidir. Bir numune test şeridine damlatıldıktan sonra, mevcut viral proteinlere bağlanan küçük altın parçacıklarına bağlı dedektör antikorlarıyla birleşir. Numune test çizgisine ulaştığında, şeride bağlanan ikinci bir antikor viral protein üzerindeki farklı bir bölgeye bağlanarak moleküler bir “sandviç” oluşturur. Altın parçacıkları biriktikçe test çizgisi koyu kırmızıya döner ve çıplak gözle görülebilir hale gelir.

Sandviç testleri aynı zamanda insan koryonik gonadotropin (hCG) hormonunu hedef alan evde hamilelik testleri için de kullanılır. COVID antijenleri gibi hCG de iki antikorun yüzeyine bağlanması için bol miktarda alana sahip büyük bir moleküldür. Ancak testosteron veya nörotransmiter serotonin gibi daha küçük moleküller, iki farklı bağlanma bölgesi için yer içermez ve sandviç testinin görünür okumasından çok daha karmaşık tespit teknolojisi gerektirir.

Bu sorunu aşmak için EPFL Mühendislik Fakültesi Kimyasal Nanoteknoloji Laboratuvarı’ndaki (CHEMINA) araştırmacılar, aptamer adı verilen kısa, sentetik DNA iplikçiklerini kullandılar. İki farklı bağlanma bölgesi gerektirmek yerine yalnızca bir “birincil” aptamerin küçük bir moleküle bağlanması gerekir. Daha sonra bir “ikincil” aptamer, hedef molekülün kendisinden ziyade, birincil aptamerin bağlı durumundaki şeklini tanıyacak şekilde tasarlanır. Çalışmaları şu adreste yayınlandı: Doğa Kimyası.

CHEMINA laboratuvar başkanı Nako Nakatsuka, “Aptamer tabanlı teknolojiler son yıllarda ivme kazandı ve giderek artan sayıda girişim insan sağlığı uygulamaları için bunlara güveniyor. Sensörleri basit bir şekilde geliştirmek yerine, küçük molekül algılamada uzun süredir devam eden bir boşluğu gidermek için moleküler tanıma mimarisini yeniden düşünmek istedik” diyor.

Farklı bir DNA tanıma modu

Şimdiye kadar aptamer bazlı sensörlerin çoğu, hedef molekülü tanıma ve varlığının sinyalini verme işinin tamamını tek bir aptamere dayanıyordu. Sinyal okuma özellikle karmaşık olabilir ve genellikle bağlanma olaylarını işaretleyen küçük floresan veya elektriksel değişiklikleri tespit etmek için özel ekipman gerektirir.

Yeni yaklaşımda iki aptamer işi paylaşıyor. Birincil aptamer hedefi yakalar ve ikincil aptamer, birincil aptamerin benimsediği şekle bağlanarak yakalamayı bildirir. DNA iplikçikleri normalde birbirini 3 boyutlu yapı yerine nükleotid dizisiyle tanımladığından, çalışma, hedef bağlamanın üstüne ikinci bir katman ekleyen farklı bir DNA tanıma modu sunuyor.

Nakatsuka, “Küçük moleküller için sandviç testi yalnızca bir uygulamadır. Daha genel anlamda, bu iki katmanlı aptamer tasarımı, tek bir aptamerin her şeyi yapmasını istemek yerine ayrı tanıma adımlarını birleştirmemize olanak tanıyor” diyor Nakatsuka.

Serotonin için hızlı bir test

Ekip, çalışmaları için dört küçük molekülü tespit etmek üzere tasarlanmış mevcut aptamerleri kullandı: serotonin, dopamin, testosteron ve steroid deoksikortikosteron 21-glukozit (DOG). İlk olarak dört ana aptamerin hedeflerine bağlanmasına izin verdiler. Daha sonra, hedef moleküle değil, bağlı durumdaki birincil aptamerin şekline bağlanacak olanları belirlemek için milyarlarca DNA dizisini taradılar. Serotonin, testosteron ve DOG için ikincil aptamerleri belirlediler ve bu dizilerin, halihazırda hedeflerini yakalamış olan birincil aptamerleri tanıdığını ve spesifik olarak bağlandığını doğrulamak için ek testler yaptılar.

Konseptin bir kanıtı olarak, serotonini başarıyla tespit eden ve sonucu çıplak gözle görülebilen bir yanal akış testi geliştirdiler.

Ekip, ileriye dönük olarak test duyarlılığının yanı sıra aptamerlerin bağlanma etkileşimlerinin gücünü artırmak için çalışıyor. Ayrıca dopamin için ikincil bir aptamerin neden tanımlanamadığı araştırılıyor. Algılamanın ötesinde, iki katmanlı tanıma, bağlama olaylarının basit mantık işlevlerini gerçekleştirmek için ikili anahtarlar gibi davrandığı moleküler hesaplama sistemlerinde de kullanılabilir.

Nakatsuka, “Aptamerlerin bir molekülün kimliğini değil durumunu tanımasına izin vererek, çalışmamız DNA tabanlı sistemlerin algılayabileceği şeyleri genişletiyor ve moleküler tanımanın daha karmaşık katmanları için bir temel oluşturuyor” diyor.