AFM fishing nanotechnology is the way to reverse the Avogadro number in proteomics

Abstract

Future development of proteomics may be hindered by limitations in the concentration sensitivity of widespread technological approaches. The concentration sensitivity limit (CSL) of currently used approaches, like 2-DE/LC separation coupled with MS detection, etc., varies from 10 29 to 10 212 M. Therefore, proteomic technologies enable detection of up to 20% of the protein species present in the plasma. New technologies, like atomic force microscopy (AFM molecular detector), enable the counting of single molecules, whereas biospecific fishing can be used to capture these molecules from the biomaterial. At the same time, fishing also has thermodynamic limitations due to the reversibility of the binding. In cases where the fishing becomes irreversible, its combination with an AFM detector enables the registration of single protein molecules, and that opens up a way to lower the CSL down to the reverse Avogadro number.

Irreversible chemical afm-fishing for the detection of low-copied proteins

“…Этот метод заключается в концентрировании молекул белка (аналита), распределенных в большом объеме, на небольшой поверхности АСМ-чипа и их ковалентном (необратимом) связывании с поверхностью этого чипа. Регистрация связанных молекул осуществляется в режиме их счета при помощи АСМ [27,28]. Высокая чувствительность такой аналитической системы обусловлена эффективным концентрированием белка и высокой чувствительностью регистрирующей системы на уровне отдельных молекул белка.…”

“…Фактор концентрирования (F) вводится для оценки эффективности концентрирования белка в процессе необратимого фишинга [27]. При условии, что все молекулы (N 0 ), присутствующие в объёме (V), могут быть выловлены и ковалентно связаны с поверхностью АСМ-чипа площадью S (при этом концентрация молекул белка на поверхности АСМ-чипа будет равна C s ) он может быть представлен как:…”

“…Известно, что для схемы необратимого фишинга чувствительность DL аналитических систем определяется соотношением [27]: где -концентрация молекул белка (1.3), где N AB -число белковых молекул или их комплексов на поверхности чипа, которое может зарегистрировать детектор. Например, если N AB~1 0 8 белковых молекул (M r~5 0 кДа), тогда DL~10 -12 M. Такое соотношение характерно, например, для коммерческого оптического биосенсора IAsys ("Affinity Sensors", Великобритания).…”

“…Высокая чувствительность регистрации может быть достигнута при использовании зонда АСМ, имеющего размер, сопоставимый с размером биологической макромолекулы (1-10 нм). Было показано, что АСМ-зонд позволяет осуществлять регистрацию не только вирусных частиц [30], но и отдельных молекул белков [27,28,[35][36][37][38][39][40][41][42][43].…”

“…Преимущество АСМ-НФ Хим заключается в том, что не требуется использование биоспецифических антител в качестве зондов. Это позволяет вылавливать все белки, присутствующие в растворе аналита, а не только биоспецифические лигаты, что важно для решения задач протеомики [27]. АСМ-регистрация белков, выловленных в процессе АСМ-НФ Хим , проводилась в режиме счёта отдельных молекул.…”