ABSTRACT Established nucleic acid detection assays require extraction and purification before sequence amplification and/or enzymatic reactions, hampering their widespread applications in point-of-care (POC) formats. Magnetic immunoassays based on magnetic particle spectroscopy and magnetic nanoparticles (MNPs) are isothermal, extraction- and purification-free, and can be quantitative and benchtop, making them suitable for POC settings. Here, we demonstrate a Magnetic signal Amplification Circuit (MAC) that combines specificity of toehold-mediated DNA strand displacement with magnetic response of MNPs to a clustering/declustering process. Our MAC assays require neither amplification nor extraction of target nucleic acids, and reveal four times better sensitivity than that of a magnetic circuit without signal amplification. Using MAC, we detect a highly specific 43 nucleotides sequence of SARS-CoV-2 virus. The MAC enables sensing both DNA and RNA targets with varying lengths and resolving single-base mismatches. Our MAC can be a powerful tool for translating research of nucleic acids detection to the clinic.

ABSTRACT Biomolecular structures are typically determined using frozen or crystalline samples. Measurement of intramolecular distances in solution can provide additional insights into conformational heterogeneity and dynamics of biological macromolecules and their complexes. The established molecular ruler techniques used for this (NMR, FRET, and EPR) are, however, limited in their dynamic range and require model assumptions to determine absolute distance (distributions). Here, we introduce anomalous X-ray scattering interferometry (AXSI) for intramolecular distance measurements in proteins, which are labeled at two sites with small gold nanoparticles of 0.7 nm radius. We apply AXSI to two different cysteine-variants of maltose binding protein in the presence and absence of its ligand maltose and find distances in quantitative agreement with single-molecule FRET experiments. Our study shows that AXSI enables determination of absolute intramolecular distance distributions under virtually arbitrary solution conditions and we anticipate its broad use to characterize protein conformational ensembles and dynamics.

ABSTRACT Magnetic nanoparticles (MNPs) enable unique capabilities for biosensing and actuation via coupling to DNA origami, yet how DNA grafting density affects their dynamics and accessibility remains poorly understood. Here, we demonstrate functionalization of MNPs with single-stranded DNA (ssDNA) via click chemistry conjugation with tunable grafting density. Several complementary methods show that particle translational and rotational dynamics exhibit a sigmoidal dependence on ssDNA grafting density. At low densities ssDNA strands are coiled and cause small changes to particle dynamics, while at high densities they form polymer brushes that cooperatively change particle dynamics. Intermediate ssDNA densities show the highest magnetic biosensing sensitivity for detection of target nucleic acids. Finally, we demonstrate that MNPs with high grafting densities are required to efficiently couple them to DNA origami. These results together establish ssDNA grafting density as a critical parameter for functionalization of MNPs for use in a broad range of applications.

Biomolecular structures are typically determined using frozen or crystalline samples. Measurement of intramolecular distances in solution can provide additional insights into conformational heterogeneity and dynamics of biological macromolecules and their complexes. The established molecular ruler techniques used for this (NMR, FRET, and EPR) are, however, limited in their dynamic range and require model assumptions to determine absolute distance or distance distributions. Here, we introduce anomalous X-ray scattering interferometry (AXSI) for intramolecular distance measurements in proteins, which are labeled at two sites with small gold nanoparticles of 0.7 nm radius. We apply AXSI to two different cysteine-variants of maltose binding protein in the presence and absence of its ligand maltose and find distances in quantitative agreement with single-molecule FRET experiments. Our study shows that AXSI enables determination of intramolecular distance distributions under virtually arbitrary solution conditions and we anticipate its broad use to characterize protein conformational ensembles and dynamics.