Digitaler Plasmonischer Biosensor

Das Ziel des Projekts Digital Plasmonic Biosensor ist die Entwicklung eines optischen Verfahrens zur raschen Detektion von chemischen und biologischen Analyten in komplexen biologischen Flüssigkeiten, mit letztendlich ausreichender Empfindlichkeit zum Nachweis einzelner Moleküle. In diesem interdisziplinären Projekt entwickeln Synthesechemiker, Physiker und Molekularbiologen gemeinsam neue hochspezifische Bioarchitekturen, optische Signalverstärkungsmethoden sowie Assays. Insbesondere werden Nanopartikel untersucht, die mit hoher räumlicher Auflösung mit Polymer-Brushes beschichtet sind. Dieser Teil des Projekts erlaubt das Verfolgen eines neuen Ansatzes für die Detektion einzelner Zielmoleküle ohne von der Vielzahl andere Moleküle in den untersuchten flüssigen Proben wie Plasma oder Serum beeinflusst zu werden. Das Design dieser Beschichtungen erlaubt das effiziente Auslesen von einzelnen Bindungsereignissen, verstärkt durch die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen in Nanopartikeln und einem Assay-Design, das individuelle Bindungsereignisse in eine starke optische Signaländerung übersetzt. Das Projekt nutzt plasmonische Verstärkung von Streulicht und nicht-enzymatische Verstärkung des Fluoreszenzsignals durch plasmonisches Umschalten der Emitter von einem dunklen in einen emittierenden Zustand mit einem mit konventionellen Methoden nicht erreichbarem Kontrast. Diese außergewöhnliche Signalverstärkung wird es ermöglichen den Sensor in einem binären Auslesemodus zu betreiben, wobei einzelne Bindungsereignisse an der Oberfläche gezählt werden. Das Potential dieser Methode für Liquid Biopsy, speziell zur nicht-invasiven Früherkennung von Lungenkrebs durch Nachweis von methylierten DNA Biomarkern in Blutplasma, wird untersucht.

The bilateral Czech-Austrian project was carried out from June 2021 to December 2024. It was coordinated by Biosensor Technologies unit at Austrian Institute of Technology from 2021 to 2022 and by Danube Private University from 2023 to 2024 (after the group restructuring). Molecular Diagnostics unit at Austrian Institute of Technology was a consortium partner for the whole duration of the project and provided its expertise in the development of ultrasensitive assays for the analysis of methylated DNA. International consortium partner from the Institute of Macromolecular Chemistry of Czech Academy of Sciences supported the project with biofunctional coatings synthesis . The project aimed at the development of ultrasensitive analysis of biomolecular species at the single molecule level in the context of lung cancer diagnostics. Contrary to already established methods such as digital polymerase chain reaction or digital enzyme linked immunoassays, the project pursued a new approach that does not rely on enzymatic amplification and that does require partitioning of the analyzed samples. Such functionality holds potential to greatly simplify ultrasensitive assays and for this purpose the project explored dedicated biointerfaces for highly specific affinity capture of target molecules from analyzed sample on the metallic sensor surface in conjunction with plasmonically enhanced optical readout. Metallic nanomaterials allow for tight confinement of light by its coupling to surface plasmons that originate from collective oscillations of charge density and associated electromagnetic field on the metal surface. These types of optical resonances were employed for efficient optical probing of biomolecules based on plasmon-enhanced fluorescence and label-free surface plasmon resonance principles. In order to efficiently visualize the presence of individual affinity - captured target molecules, a new method of tethered catalytic hairpin assembly was developed with a flexible polymer linker - based nanoscale localization. The presence of target species was then associated with individual bright fluorescent spots establishing digital assay readout format. The ultrasensitive affinity assay readout of target molecules captured on the sensor surface was pursued with the help of biofunctional antifouling biointerfaces utilizing polymer brushes and networks with zwitterionic moieties. The spatial control of attaching this biointerfacial architectures was utilized by using dedicated photo-crosslinkable and photo-attachment at the sensor surface. The project resulted in a range of novel materials and bioanalytical methods capable of ultrasensitive detection of target nucleic acid and protein-based analytes at femtomolar (or below) concentrations in realistic samples (providing performance that is relevant to aimed applications in cancer biomarker analysis under the umbrella of liquid biopsy). The project supported three PhD theses (one finished) and three master thesis (three finished). Its results were published in 8 papers in peer reviewed journals and 18 conference contributions presented to scientific community.