Picomolar glyphosate sensitivity of an optical particle-based sensor utilizing biomimetic interaction principles.
Biosens Bioelectron · 2020 · 165:112262 · PMID 32510337 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 식이
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글리포세이트의 지속적인 사용과 이와 관련하여 중요하게 논의되는 건강 및 생물다양성 위험은 식품 및 물에 대한 빠르고 저렴하며 현장 기반의 감지 기술을 요구한다. 이 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 글리포세이트가 그 생리학적 표적 효소인 5-엔올피루빌-쉬키미산-3-인산 합성효소(EPSPs)에 의해 매우 특이적으로 인식되는 원리를 기반으로 고감도 센서를 설계하였다. 이 원리는 최근 확립된 연성 콜로이드 프로브(SCP) 기술을 이용하여 간섭계 센서에 구현되었다. EPSPs는 일주기 리듬 유전자 2 하이드로빈 키메라의 자가 조립 특성을 활용하여 투명 표면에 부위 특이적으로 고정되었으며, 이층의 균일성은 원자현미경으로 입증되었다. 효소로 장식된 바이오칩을 글리포세이트를 함유한 샘플에 노출시키면 효소-분석물 복합체가 형성되고, 이는 글리포세이트가 기능화된 폴리에틸렌글리콜(PEG)-SCP의 이용 가능한 결합 자리 경쟁적 손실을 유발한다. 다양한 유형의 링커 분자와 글리포세이트로 SCP를 기능화하는 과정은 공초점 레이저 주사 현미경 및 공초점 라만 미세분광법을 이용하여 평가되었다. 전반적으로, SCP-바이오칩 상호작용에 대한 반사 간섭 대비 현미경 분석 결과, 링커 길이와 글리포세이트 결합 위치가 센서 감도에 강한 영향을 미침을 보여주었다. 펜타글리신 링커와 그 이차 아민기를 통해 글리포세이트를 고정하는 조합을 사용하여, SCP와 바이오칩 표면 간의 차등 부착을 통해 수용액 내 농도를 100 pM까지 측정할 수 있었으며, 이는 자동 이미지 분석 알고리즘에 의해 뒷받침되었다. 이 감지 개념은 구조적으로 관련된 화합물에 대한 우수한 변별력과 결합하여 탁월한 pM 수준의 민감성을 입증할 수 있을 것으로 보인다.ORIGINAL ABSTRACT
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.| 저자 | Rettke, D.; Döring, J.; Martin, S.; Venus, T.; Estrela-Lopis, I.; Schmidt, S.; Ostermann, K.; Pompe, T. |
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| 저널 | Biosensors & bioelectronics |
| 권·호·쪽 | 165, 112262 |
| PMID | 32510337 |
| DOI | 10.1016/j.bios.2020.112262 |
| MeSH | 3-Phosphoshikimate 1-Carboxyvinyltransferase; Biomimetics; Biosensing Techniques; Glycine; Herbicides; Glyphosate |