Quantification of protein interactions and solution transport using high-density GMR sensor arrays

Abstract

Monitoring the kinetics of protein interactions on a high density sensor array is vital to drug development and proteomic analysis. Label-free kinetic assays based on surface plasmon resonance are the current gold standard, but they have poor detection limits, suffer from non-specific binding, and are not amenable to high throughput analyses. Here we show that magnetically responsive nanosensors that have been scaled to over 100,000 sensors/cm2 can be used to measure the binding kinetics of various proteins with high spatial and temporal resolution. We present an analytical model that describes the binding of magnetically labeled antibodies to proteins that are immobilized on the sensor surface. This model is able to quantify the kinetics of antibody-antigen binding at sensitivities as low as 20 zeptomoles of solute.

Perspective: Magnetoresistive sensors for biomedicine

“…For more than a decade, several research groups worldwide are focusing on the design and development of MR biosensing platforms for biomolecular recognition as well as detection and quantification of biological entities. [69][70][71][72][73][74][75][76] These applications are based on the giant magnetoresistance (GMR) [GMR multilayers and spin valves (SVs)] and the tunneling magnetoresistance (TMR) effects.…”

“…There, the electrons tunnel across the insulating barrier as a result of a spin dependent tunneling probability that causes an electron flow perpendicular to the plane (CPP). 65,67,71,72 An MTJ can operate as a switch between a low state and a high state of electrical resistance as explained in Ref. 61.…”

Magnetic Sensor-Based Detection of Picoliter Volumes of Magnetic Nanoparticle Droplets in a Microfluidic Chip

“…The high sensitivity of magnetoresistive sensors to very weak magnetic fields at room temperature is utilised in biomolecular recognition [1][2][3][4][5][6]. Proteins, antibodies or nucleic acids are attached to magnetic nanoparticles or microbeads and employed in detecting a target molecule with the help of conjugating probes immobilised on the surface of the magnetic sensor.…”

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

“…Необратимое связывание белка и перевод концентрации белка из 3D-в 2D-измерение с учетом убыли количества белка в растворе за счёт его связывания с поверхностью было описано в [26] следующим соотношением:…”

“…Адекватной кинетической модели, описывающей вылавливание белка на поверхность при концентрациях ниже 10 -12 M, в доступной литературе нам найти не удалось. В то же время, если оценить время t, необходимое для необратимого вылавливания белков по модели, предложенной в [26], в случае начальной концентрации белка С 0 =10 -16 М для условий эксперимента, описанных в этой работе (объём V=50 мкл, размер активированной площади S=5400 мкм 2 ), то это расчётное время должно составлять t~10 8 с. При этом будет выловлено 90% молекул, изначально находившихся в растворе. Таким образом, согласно этой модели при анализе раствора белков с концентрацией ~10 -16 М практически невозможно зарегистрировать белки за реальное время эксперимента, которое обычно составляет t~3 ч ~10 4 с. Однако, экспериментально показано, что время необратимого АСМ-фишинга HCVcoreAg из объёма V=50 мл при концентрации 10 -16 М составляет на несколько порядков меньше, порядка t=4000 с [28].…”