Single-Molecule Mechanochemical Sensing for Multiplexed Tasks: A Topochemical Strategy

用于多重任务的单分子机械化学传感:拓扑化学策略

基本信息

  • 批准号:
    1904921
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 32万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-08-15 至 2023-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The research objective of this proposal is to take a multidisciplinary approach to innovate biosensing strategies with ultrahigh sensitivity to detect multiple chemical or biological targets. The detection will be accomplished by monitoring the variation of either tension or length of the sensing template upon binding of chemical or biochemical targets. To detect many targets simultaneously, which is an essential feature in next generation biosensors, the research team will incorporate different sensing units in a single template. Each sensing unit is designed to report the binding of specific targets. Successful completion of this project will provide new biosensing paradigms with great potential to transform single-molecule biosensors into viable devices with high sensitivity and superior efficiency compared to conventional biosensors. During this project, the investigator plans to integrate educational elements into research projects. The investigator's lab will train high-school and college students by recruiting them to carry out this NSF funded research. Research is modularly designed to facilitate participation of these students into the project. In addition, the research team will reach out to the public by helping K-12 students for scientific activities.The intellectual merit of this project lies in the employment of single DNA molecules as sensing templates while detection of analytes is based on mechanochemical principles. Upon chemical binding of individual chemical or biochemical targets to the single-molecule DNA template, the mechanical property of the template such as its tensile force and/or extension will change. To detect such a tiny signal change on the order of picoNewton in force and nanometer in extension, single-molecule techniques such as optical tweezers and magnetic tweezers will be used. Since analyte detection is achieved at the single-molecule level, chemical amplification is not necessary, which increases the efficiency of materials usage in the mechanochemical sensing. To improve concentration detection limit, many sensing units will be incorporated in the template using molecular biology methods such as Rolling Circle Amplification (RCA). In addition, signal is amplified by spatial arrangement of localized sensing units, a feature that follows topochemical principles. To increase the throughput of the sensing, magnetic tweezers will be used so that hundreds of single-molecule sensing templates can be immobilized on a surface and monitored simultaneously. The topo chemical sensing strategies are anticipated to lead to viable single-molecule biosensors with high sensitivity and efficiency.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该提案的研究目标是采用多学科方法创新具有高灵敏度的生物传感策略,以检测多个化学或生物目标。 检测将通过监测在结合化学或生物化学靶标时感测模板的张力或长度的变化来完成。 为了同时检测多个目标,这是下一代生物传感器的一个基本特征,研究小组将在一个模板中包含不同的传感单元。 每个传感单元被设计为报告特定目标的结合。该项目的成功完成将提供新的生物传感范例,具有将单分子生物传感器转化为具有高灵敏度和上级效率的可行设备的巨大潜力。 在这个项目中,研究人员计划将教育元素融入研究项目。 研究人员的实验室将通过招募高中生和大学生来进行这项由NSF资助的研究来培训他们。 研究是模块化设计,以促进这些学生参与该项目。 此外,研究小组亦会透过协助K-12学生进行科学活动,与公众建立联系。这项计划的智慧价值在于利用单DNA分子作为传感模板,并根据机械化学原理检测分析物。 在单个化学或生物化学靶标与单分子DNA模板化学结合时,模板的机械性质如其张力和/或延伸将改变。为了检测这种力为皮牛顿量级、延伸为纳米量级的微小信号变化,将使用光镊和磁镊等单分子技术。 由于分析物检测是在单分子水平上实现的,因此不需要化学扩增,这提高了机械化学传感中材料使用的效率。为了提高浓度检测限,将使用分子生物学方法如滚环扩增(RCA)将许多传感单元并入模板中。 此外,信号通过局部传感单元的空间布置而放大,这是遵循拓扑化学原理的特征。 为了增加传感的吞吐量,将使用磁镊子,以便数百个单分子传感模板可以固定在表面上并同时监测。 拓扑化学传感策略预计将导致可行的单分子生物传感器与高灵敏度和efficiency.This奖项反映了NSF的法定使命,并已被认为是值得的支持,通过评估使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(25)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Duplex DNA Is Weakened in Nanoconfinement
Single-Molecule Topochemical Analyses for Large-Scale Multiplexing Tasks
  • DOI:
    10.1021/acs.analchem.9b02483
  • 发表时间:
    2019-11-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Mandal, Shankar;Zhang, Xiaoqing;Mao, Hanbin
  • 通讯作者:
    Mao, Hanbin
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    0
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    久保稔
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    Hanbin Mao
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    Shankar Pandey;Mathias Bogetoft Danielsen;Yuan Xiang;Zhilei Zhang;Grinsun Sharma;Byeong Tak Jeon;Shixi Song;Yitong Hao;Gunan Zhang;Niels Johan Christensen;Kasper Kildegaard Sørensen;Pernille Harris;Pravin Pokhrel;Richard Cunningham;Min-Ho Kim;Yongsheng Leng;Chenguang Lou;Hanbin Mao
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    Hanbin Mao

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