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バイオミメティック相互作用の原理を利用した光学粒子ベースのセンサーのピコモルグリホサート感度
Picomolar glyphosate sensitivity of an optical particle-based sensor utilizing biomimetic interaction principles.
PMID: 32510337 DOI: 10.1016/j.bios.2020.112262.
抄録
グリホサートの使用が継続的に増加しており、その健康と生物多様性へのリスクが批判的に議論されていることから、食品や水の現場での迅速かつ低コストのセンシング技術が求められています。この問題に対処するために、我々はグリホサートの生理的標的酵素である５-エノールピルビルシキメート-３-リン酸合成酵素（ＥＰＳＰ）によるグリホサートの特異的な認識に基づいた高感度センサーを設計した。この原理は、最近確立されたソフトコロイドプローブ(SCP)技術を用いて、インターフェロメトリックセンサーに実装されている。EPSPsは、サーカディアンクロック遺伝子2の自己組織化特性を利用して透明な表面に固定化され、原子間力顕微鏡により層の均一性が証明された。酵素で装飾したバイオチップをグリホサートを含むサンプルに曝露すると、酵素-分析物複合体が形成され、グリホサートで機能化されたポリエチレングリコールSCPの利用可能な結合部位が競合的に失われることがわかった。異なるタイプのリンカー分子とグリホサートを用いたSCPの機能化を共焦点レーザー走査型顕微鏡と共焦点ラマン分光法を用いて評価した。全体的に、SCPとバイオチップの相互作用を反射干渉コントラスト顕微鏡で解析した結果、リンカーの長さとグリホサートの結合位置がセンサーの感度に強い影響を与えることが明らかになった。ペンタグリシンリンカーとその二級アミノ基を介したグリホサートの結合の組み合わせを採用することで、SCPとバイオチップ表面間の差動接着によって100pMまでの水溶液中の濃度を測定することができ、自動化された画像解析アルゴリズムによってサポートされています。このセンシングコンセプトは、構造的に関連する化合物との優れた識別力と組み合わせて、その卓越したpM感度を証明することさえ可能である。
The continually growing use of glyphosate and its critically discussed health and biodiversity risks ask for fast, low cost, on-site sensing technologies for food and water. To address this problem, we designed a highly sensitive sensor built on the remarkably specific recognition of glyphosate by its physiological target enzyme 5-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate synthase (EPSPs). This principle is implemented in an interferometric sensor by using the recently established soft colloidal probe (SCP) technique. EPSPs was site-specifically immobilized on a transparent surface utilizing the self-assembling properties of circadian clock gene 2 hydrophobin chimera and homogeneity of the layer was evidenced by atomic force microscopy. Exposure of the enzyme decorated biochip to glyphosate containing samples causes formation of enzyme-analyte complexes and a competitive loss of available binding sites for glyphosate-functionalized poly(ethylene glycol) SCPs. Functionalization of the SCPs with different types of linker molecules and glyphosate was assessed employing confocal laser scanning microscopy as well as confocal Raman microspectroscopy. Overall, reflection interference contrast microscopy analysis of SCP-biochip interactions revealed a strong influence of linker length and glyphosate coupling position on the sensitivity of the sensor. In employing a combination of pentaglycine linker and tethering glyphosate via its secondary amino group, concentrations in aqueous solutions down to 100 pM could be measured by the differential adhesion between SCP and biochip surface, supported by automated image analysis algorithms. This sensing concept could even prove its exceptional pM sensitivity in combination with a superior discrimination against structurally related compounds.
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