Watching a Single Enzyme at Work Using Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering and DNA Origami-Based Plasmonic Antennas

拉曼散射 DNA折纸 等离子体子 材料科学 分子 拉曼光谱 纳米技术 工作(物理) 化学 光电子学 光学 有机化学 纳米结构 物理 热力学
作者
Yuya Kanehira,Sergio Kogikoski,Evgenii Titov,Kosti Tapio,Amr Mostafa,Ilko Bald
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (31): 20191-20200 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c03384
摘要

The detection of a single-enzyme catalytic reaction by surfaced-enhanced Raman scattering (SERS) is presented by utilizing DNA origami-based plasmonic antennas. A single horseradish peroxidase (HRP) was accommodated on a DNA origami nanofork plasmonic antenna (DONA) containing gold nanoparticles, enabling the tracing of single-molecule SERS signals during the peroxide reduction reaction. This allows monitoring of the structure of a single enzymatic catalytic center and products under suitable liquid conditions. Herein, we demonstrate the chemical changes of HRP and the appearance of tetramethylbenzidine (TMB), which works as a hydrogen donor before and after the catalytic reaction. The results show that the iron in HRP adopts Fe4+ and low spin states with the introduction of H2O2, indicating compound-I formation. Density functional theory (DFT) calculations were performed for later catalytic steps to rationalize the experimental Raman/SERS spectra. The presented data provide several possibilities for tracking single biomolecules in situ during a chemical reaction and further developing plasmon-enhanced biocatalysis.
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