[논문 리뷰] Electrical probing of COVID-19 spike protein receptor binding domain via a graphene field-effect transistor

Xiaoyan Zhang, Qige Qi외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 27.

Advanced biosensing and bioanalysis techniques인용 수 54

한 줄 요약

본 논문은 그래핀 전계효과 트랜지스터(Gr-FET) 면역센서를 제시하여 COVID-19 스파이크 단백질 S1 RBD를 고감도로 빠르게 검출하고 실시간으로 고친성 항체를 선별할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Here, in an effort towards facile and fast screening/diagnosis of novel coronavirus disease 2019 (COVID-19), we combined the unprecedently sensitive graphene field-effect transistor (Gr-FET) with highly selective antibody-antigen interaction to develop a coronavirus immunosensor. The Gr-FET immunosensors can rapidly identify (about 2 mins) and accurately capture the COVID-19 spike protein S1 (which contains a receptor binding domain, RBD) at a limit of detection down to 0.2 pM, in a real-time and label-free manner. Further results ensure that the Gr-FET immunosensors can be promisingly applied to screen for high-affinity antibodies (with binding constant up to 2*10^11 M^-1 against the RBD) at concentrations down to 0.1 pM. Thus, our developed electrical Gr-FET immunosensors provide an appealing alternative to address the early screening/diagnosis as well as the analysis and rational design of neutralizing-antibody locking methods of this ongoing public health crisis.

연구 동기 및 목표

• COVID-19 스파이크 단백질 S1 수용체 결합 도메인(RBD)에 대한 신속하고 라벨프리 면역센서를 개발한다.
• 그래핀 전계효과트랜지스터(Gr-FET)의 민감도를 활용하여 빠른 선별/진단을 가능하게 한다.
• 센서의 검출 한계(LODs)와 RBD에 대한 항체의 결합 친화력을 평가하는 능력을 검토한다.

제안 방법

• 항체-항원 상호작용이 일어나도록 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제작하고 기능화한다.
• 항체-항원 결합을 이용해 Gr-FET를 통해 전기 신호를 변환하여 실시간 검출을 수행한다.
• 스파이크 S1 RBD의 검출 한계(LOD)를 0.2 pM로 시연한다.
• 0.1 pM 농도에서 결합 상수 up to 2×10^11 M^-1인 고친성 항체를 선별할 수 있는 가능성을 보인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 전계효과 트랜지스터 면역센서가 신속하고 라벨프리하게 COVID-19 스파이크 단백질 RBD를 검출할 수 있는가?
• RQ2 RBD에 대한 Gr-FET 면역센서의 검출 한계와 반응 시간은 어느 정도인가?
• RQ3 Gr-FET 플랫폼이 RBD에 대한 고친성 항체를 선별할 수 있는가, 그리고 어떤 농도에서 가능한가?

주요 결과

• Gr-FET 면역센서는 약 2분 만에 COVID-19 스파이크 S1 RBD를 검출한다.
• 센서는 RBD에 대해 0.2 pM의 검출 한계에 도달한다.
• 시스템은 RBD에 대해 결합 상수 최대 2×10^11 M^-1인 고친성 항체를 선별할 수 있다.
• 항체-항원 상호작용은 실시간으로, 라벨프리 방식으로 검출된다.
• 테스트된 농도 범위에는 고친성 항체 선별을 위한 0.1 pM까지의 범주가 포함된다.