Digital Plasmonic Biosensor

The project Digital Plasmonic Biosensor aims at the development of a optical detection concept that is suitable for rapid analysis of chemical and biological species present in complex biological fluids and that provide the ultimate sensitivity at single molecule level. It renders a multidisciplinary research that brings together synthetic chemists, physicists and molecular biologists in order to carry out advanced antifouling biointerface architectures, optical signal amplification schemes, and assays. In particular, polymer brush-based modification of metallic nanostructures with high spatial precision will be pursued. This project component will enable implementing a new approach to the sensitive detection of individual target molecules that is not affected by the abundant molecules present on analyzed liquid sample such as blood plasma or serum. Design of these biointerfaces will allow for efficient metallic nanostructure-enhanced readout of individual binding events that benefit from the optical amplification associated with resonant excitation of surface plasmons and an assay design that converts the specific capture of target molecules to strong optical signal change. The project will utilize plasmonic amplification of scattered light and non-enzymatic amplification of fluorescence signal based on plasmonically turning emitters from dark state to bright with contrast far exceeding conventionally used methods. The strong signal amplification will enable to operate the sensor in the mode of digital readout of binding events when individual molecules captured at the sensor surface will be counted. The potential of this method will be explored in the context of liquid biopsy approach for the low-invasive early diagnosis of lung cancer through the monitoring of the presence of methylated DNA biomarkers in blood plasma-samples.

Das bilaterale tschechisch-österreichische Projekt wurde von Juni 2021 bis Dezember 2024 durchgeführt. Es wurde von 2021 bis 2022 von der Abteilung für Biosensortechnologie am Austrian Institute of Technology und von 2023 bis 2024 (nach der Umstrukturierung der Gruppe) von der Danube Private University koordiniert. Die Abteilung für Molekulare Diagnostik am Austrian Institute of Technology war während der gesamten Projektdauer Konsortiumspartner und stellte seine Expertise bei der Entwicklung hochempfindlicher Tests zur Analyse methylierter DNA zur Verfügung. Der internationale Konsortiumspartner vom Institut für Makromolekulare Chemie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften unterstützte das Projekt bei der Synthese biofunktionaler Beschichtungen. Ziel des Projekts war die Entwicklung einer ultrasensitiven Analysenmethode von spezifischen Biomolekülen auf der Ebene von einzelnen Molekülen, die im Zusammenhang mit der Lungenkrebsdiagnostik stehen. Im Gegensatz zu bereits etablierten Methoden wie der digitalen Polymerase-Kettenreaktion oder digitalen enzymgekoppelten Immunoassays verfolgte das Projekt einen neuen Ansatz, der nicht auf enzymatischer Amplifikation beruht und keine Aufteilung der analysierten Proben erfordert. Diese Art von Funktionalität birgt das Potenzial, ultrasensitive Tests erheblich zu vereinfachen. Zu diesem Zweck untersuchte das Projekt spezielle Sensoroberflächen für die hochspezifische Affinität von Zielmolekülen aus der analysierten Probe in Verbindung mit einer plasmonisch verstärkten optischen Auslesung. Metallische Nanomaterialien ermöglichen einen abgegrenzten Lichteinschluss durch dessen Kopplung an Oberflächenplasmonen, die durch kollektive Schwingungen der Ladungsdichte und des damit verbundenen elektromagnetischen Feldes auf der Metalloberfläche entstehen. Diese Arten optischer Resonanzen wurden für eine effiziente optische Untersuchung von Biomolekülen basierend auf den zugrundeliegenden Prinzipien der plasmonisch verstärkten Fluoreszenz und der Oberflächenplasmonenresonanz eingesetzt. Um das Vorhandensein einzelner affinitätsgebundener Zielmoleküle effizient sichtbar zu machen, wurde eine neue Nukleinsäure-basierte Methode mit einem flexiblen Polymerlinker entwickelt, der auf einer nanoskaligen Lokalisierung basiert. Das Vorhandensein des Analyten wurde dann mit einzelnen hellen fluoreszierenden Flecken assoziiert, wodurch ein digitales Ausleseformat für den Test möglich war. Die ultrasensitive Analyse der auf der Sensoroberfläche erfassten Zielmoleküle erfolgte mithilfe biofunktionaler Oberflächen unter Verwendung von Polymerstrukturen mit zwitterionischen Gruppen. Die räumlich definierte Anheftung dieser Sensoroberflächenarchitekturen wurde durch den Einsatz spezieller licht-vernetzbarer und -anhaftender Elemente erreicht. Das Projekt führte zu einer Reihe neuartiger Materialien und bioanalytischer Methoden, die eine ultrasensitive Erkennung von spezifischen Nukleinsäuren und proteinbasierten Analyten in femtomolaren (oder darunter liegenden) Konzentrationen in klinisch relevanten Proben ermöglichen (und damit eine Leistung erbringen, die für gezielte Anwendungen in der Analyse von Krebsbiomarkern im Rahmen der Flüssigbiopsie von Bedeutung ist). Das Projekt unterstützte drei Doktorarbeiten (eine abgeschlossen) und drei Masterarbeiten (drei abgeschlossen). Die Ergebnisse wurden in 8 Artikeln in Fachzeitschriften (peer-reviewed) veröffentlicht und in 18 Konferenzbeiträgen der wissenschaftlichen Gemeinschaft vorgestellt.