Probing Biomolecular Recognition at the Single Molecule Level
Doctoral thesis, 2011

Specific recognition between biomolecular partners contributes to a multitude of biochemical signaling within and between cells. The aim of this work has been to investigate the possibility to probe biomolecular recognition reactions at the smallest possible scale, the single molecule level. The ability to do so provides unique possibilities to understand and acquire information of biological systems utilizing lower analyte concentrations and/or obtain information hidden in ensemble measurements. By exploring several of the unique properties of liposomes, we have in this work developed assay formats capable of analyzing individual molecular interactions. Taking advantage of the fact that liposomes are compatible with the important class of cell membrane-residing proteins, we investigated binding kinetics of ligand interactions with membrane receptors. Monitoring individual binding events also provides possibilities for parallel detection of multiple interaction partners. In exploring this aspect, we have taken the first steps in the development of a new means to perform multiplexed biorecognition analysis using imaging mass spectrometry. Finally, future and ongoing extensions of the liposome-based assay are presented, illustrating two clinically relevant applications, screening for virus detection and mass spectrometry-based immunohistochemistry.

cell membrane

TIRFM

liposome

time-of-flight secondary ion mass spectrometry

membrane receptor

single molecule

TOF-SIMS

molecular recognition

DNA

barcode

total internal reflection

multiplexing

Kollektorn, MC2
Opponent: Professor Atul Parikh, UC Davis, CA, USA

Author

Anders Gunnarsson

Chalmers, Applied Physics, Biological Physics

Kinetics of Ligand Binding to Membrane Receptors from Equilibrium Fluctuation Analysis of Single Binding Events

Journal of the American Chemical Society,; Vol. 133(2011)p. 14852-14855

Journal article

Single-molecule Detection and Mismatch Discrimination of Unlabeled DNA Targets

Nano Letters,; Vol. 8(2008)p. 183-188

Journal article

Kinetic and thermodynamic characterization of single-mismatch discrimination using single-molecule imaging

Nucleic Acids Research,; Vol. 37(2009)p. e99 (art no)-

Journal article

Att förstå sig på människocellen och de tusentals molekyler som samspelar med varandra i komplexa nätverk är en central fråga inom livsvetenskapen. Genom att analysera interaktioner mellan biomolekyler kan vi idag diagnostisera somliga sjukdomar genom att detektera förekomsten av så kallade sjukdomsmarkörer. På liknande sätt kan vi utveckla nya mediciner genom att förstå de mekanismer som interaktioner mellan läkemedel och receptorer på cellers ytor ger upphov till. Dock kvarstår flera viktiga utmaningar så som högre känslighet och parallell avläsning. Den här avhandlingen beskriver utvecklingen av nya metoder för att på ett effektivt sätt mäta molekylära interaktioner på nivån av enskilda biomolekyler. Mätningar av samspelet mellan enstaka molekyler erbjuder unika möjligheter att erhålla information om biologiska system som annars ligger dold i medelvärdesmätningar. Jag har i detalj undersökt hur liposomer, små ihåliga nanopartiklar av lipider (fett), kan användas för att studera igenkänning mellan olika typer av biomolekyler. Särskilt fokus har legat på (i) interaktioner mellan DNA molekyler, som innehåller den genetiska koden, och (ii) växelverkan mellan proteiner (eller läkemedel) och receptorer på cellens yta. Målsättningen är att de metoder som utvecklats och beskrivs i denna avhandling ska kunna användas för såväl analys av vävnadssnitt relaterade till sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons som screening av läkemedelskandidater och diagnos av virusinfektioner.

Driving Forces

Sustainable development

Innovation and entrepreneurship

Areas of Advance

Nanoscience and Nanotechnology (2010-2017)

Life Science Engineering (2010-2018)

Subject Categories

Physical Sciences

Chemical Sciences

ISBN

978-91-7385-492-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 3173

Kollektorn, MC2

Opponent: Professor Atul Parikh, UC Davis, CA, USA

More information

Created

10/7/2017