Mikrostrukturierte Schichten aus biofunktionalisierten Nanopartikeln als dreidimensionale Affinitätsoberfläche zum Proteinnachweis auf Microarrays

Abstract

Nanopartikel mit einer Schale aus Proteinen stellen ein Material mit extrem großer, biofunktioneller Oberfläche dar. Dieser vielseitige Werkstoff wurde in der vorliegenden Arbeit einem breiten Anwendungsspektrum verfügbar gemacht. Kern-Schale-Nanopartikel aus einem anorganischen SiO2-Kern und einer organischen Schale aus funktionellen Silanen wurden verwendet, um daran als Fängerelemente Proteine mit spezifischen Bindeeigenschaften zu immobilisieren. Die Funktionalisierung der Partikeloberflächen konnte mit großer Flexibilität an verschiedene Anforderungen angepasst werden: Fänger-Moleküle konnten in zufälliger Orientierung kovalent oder auch gerichtet auf den Partikeloberflächen immobilisiert werden. Die biofunktionalisierten Nanopartikel wurden anschließend mittels lithografischer Techniken oder Kontakt-Druck-Verfahren in Form von mikrostrukturierten Schichten stabil auf aktivierten Glasoberflächen abgeschieden. Die partikelgebundenen Fänger-Proteine wurden stabilisiert, sodass ihre biologische Funktionalität innerhalb der trockenen Partikelschichten erhalten blieb. Auf diese Weise wurden dreidimensionale Affinitätsoberflächen im Microarrayformat erzeugt, die dauerhaft lagerfähig waren. Die hohe Bindekapazität der dreidimensionalen Microspots resultierte beim Nachweis von Proteinen in einem dynamischen Bereich, der fünf Größenordnungen überspannte. Nanopartikel-Microarrays waren sowohl mit Fluoreszenzdetektion kompatibel als auch mit MALDI-Massenspektrometrie (MALDI-MS), den Standard-Ausleseverfahren der modernen Molekularbiologie und der Proteomforschung. Die hohe Bindekapazität und große Fängerdichte machen Biochips aus Nanopartikel-Microspots besonders relevant für Anwendungen, die für den empfindlichen Nachweis eines Analyten möglichst viele der in der Probe vorhandenen Analytmoleküle auf die Sensor-Oberfläche aufkonzentrieren wollen. Der modulare Aufbau der Chips ermöglicht die Trennung von Kopplungschemie und Microstrukturierung, sodass für die Entwicklung von Hybrid-Tests unterschiedliche Fängerelemente maßgeschneidert auf einer Sensoroberfläche immobilisiert werden können.

In the presented work biochip surfaces of layered nanoparticles were developed. Core-Shell nanoparticles with a core of anorganic silicon dioxide and a shell of organic silanes were used to covalently bind distinct proteins as specific capture molecules to particle surfaces. These biofunctionalized nanoparticles were precipitated as microstructured layers on substrate surfaces, generating three-dimensional microspots with high binding capacity for specific target molecules.