Abstract Binding gene-wide single-stranded nucleic acids to surface-immobilized complementary probes is an important but challenging process for biophysical studies and diagnostic applications. The challenge comes from the conformational dynamics of the long chain that affects its accessibility and weakens its hybridization to the probes. We investigated the binding of bacteriophage genome M13mp18 on several different 20-mer probes immobilized on the surface of a multi-spot, label-free biosensor, and observed that only a few of them display strong binding capability with dissociation constant as low as 10 pM. Comparing experimental data and computational analysis of the M13mp18 chain structural features, we found that the capturing performance of a specific probe is directly related to the multiplicity of binding sites on the genomic strand, and poorly connected with the predicted secondary and tertiary structure. We show that a model of weak cooperativity of transient bonds is compatible with the measured binding kinetics and accounts for the enhancement of probe capturing observed when more than 20 partial pairings with binding free energy lower than -10 kcal mol−1 are present. This mechanism provides a specific pattern of response of a genomic strand on a panel of properly selected oligomer probe sequences.

Hybridization of complementary single strands of DNA represents a very effective natural molecular recognition process widely exploited for diagnostic, biotechnology and nanotechnology applications. A common approach relies on the immobilization on a surface of single stranded DNA probes that bind complementary targets in solution. However, despite the deep knowledge on DNA interactions in bulk solution, the modelling of the same interactions on a surface are still challenging and perceived as strongly system-dependent. Here we show that a two dimensional analysis of the kinetics of hybridization, performed at different target concentration and probe surface density by a label-free optical biosensor, reveals peculiar features inconsistent with an ideal Langmuir-like behaviour. We propose a simple non-Langmuir kinetic model accounting for an enhanced electrostatic repulsion originating from the surface immobilization of nucleic acids and for steric hindrance close to full hybridization of the surface probes. The analysis of the kinetic data by the model enables to quantify the repulsive potential at the surface, as well as to retrieve the kinetic parameters of isolated probes. We show that the strength and the kinetics of hybridization at large probe density can be improved by a 3D immobilization strategy of probe strands with a double stranded linker.