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Aptamer Conformational Change Enables Serotonin Biosensing with Nanopipettes

Résumé

We report artificial nanopores in the form of quartz nanopipettes with ca. 10 nm orifices functionalized with molecular recognition elements termed aptamers that reversibly recognize serotonin with high specificity and selectivity. Nanoscale confinement of ion fluxes, analyte-specific aptamer conformational changes, and related surface charge variations enable serotonin sensing. We demonstrate detection of physiologically relevant serotonin amounts in complex environments such as neurobasal media, in which neurons are cultured in vitro. In addition to sensing in physiologically relevant matrices with high sensitivity (picomolar detection limits), we interrogate the detection mechanism via complementary techniques such as quartz crystal microbalance with dissipation monitoring and electrochemical impedance spectroscopy. Moreover, we provide a novel theoretical model for structure-switching aptamer-modified nanopipette systems that supports experimental findings. Validation of specific and selective small-molecule detection, in parallel with mechanistic investigations, demonstrates the potential of conformationally changing aptamer-modified nanopipettes as rapid, label-free, and translatable nanotools for diverse biological systems.

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Sérotonine
La sérotonine, encore appelée 5-hydroxytryptamine (5-HT), est une monoamine de la famille des indolamines. C'est un neurotransmetteur dans le système nerveux central et dans les plexus intramuraux du tube digestif, ainsi qu'un autacoïde (hormone locale) libéré par les cellules entérochromaffines et les thrombocytes. La production de sérotonine a aussi été observée dans le placenta des souris et de l'humain. Elle est majoritairement présente dans l'organisme en qualité d'autacoïde.
Biosenseur
Un biosenseur (aussi appelé biocapteur) est un dispositif détecteur, semi-biologique associant trois éléments : l'échantillon à étudier : eau, air, sol, matériel biologique (tissus, micro-organismes, organites, récepteurs cellulaires, enzymes, anticorps, acides nucléiques, organismes génétiquement modifié, ou matériel issu d'OGM, etc.) un élément capteur (éventuellement sous la forme d'une puce électronique) détectant des changements physico-chimiques sous forme de signaux (présence/absence) biochimiques et/ou physiques ou chimique dans un milieu (externe ou interne au corps humain) et émettant un signal biologique.
Nanoparticule
Une nanoparticule est selon la norme ISO TS/27687 un nano-objet dont les trois dimensions sont à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire une particule dont le diamètre nominal est inférieur à environ. D'autres définitions évoquent un assemblage d'atomes dont au moins une des dimensions se situe à l'échelle nanométrique (ce qui correspond au « nano-objet » tel que défini par la norme ISO précitée) ou insistent sur leurs propriétés nouvelles (dues au confinement quantique et à leur surface spécifique) qui n'apparaissent que pour des tailles de moins d'une centaine de nanomètres.
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