Small Methods: CRISPR/Cas12a驱动的DNA框架核酸电化学生物传感平台

核酸定量对于疾病预防、诊断和预后监测非常重要,传染性疾病(如新冠病毒)的全球爆发和核酸类生物标志物的发现都依赖于简单、灵敏、快速、成本低廉的核酸分析技术。作为细菌免疫系统组成部分的 CRISPR/Cas是一项功能强大的技术,在基因编辑中有广泛的应用。自从其独特的非特异性单链核酸切割活性被发现以来,基于CRISPR/Cas系统的新型核酸检测生物传感技术已被广泛开发并用于核酸检测,提供了一种提高核酸诊断的特异性、灵敏度以及检测速度的新策略。电化学生物传感平台在分子诊断中具有灵敏度高、检测时间短、价格低廉、易于集成等优点。然而,基于CRISPR/Cas的电化学核酸分析技术的灵敏度仍然受到Cas蛋白和靶标核酸以及固定在异质电极界面上的相应探针的可接近性的限制。

针对上述问题,上海交通大学个性化医学研究院丁显廷教授联合中国科学院上海高等研究院宋世平研究员基于前期CRISPR/Cas系统构建及应用(ACS Sens. 2020, 5, 5, 1427-1435和Adv. Sci. 2021, 8, 2003611)和框架核酸在碳界面上的应用研究(ACS Sens. 2020, 5, 12, 3979–3987),在框架核酸支撑的电化学生物传感平台,开发了基于Cas12a酶驱动的顺式和反式切割的超灵敏核酸检测技术。研究中将框架核酸的一条链延伸出来,端点用生物素修饰,作为报告分子,其延伸出来的序列能够和目标核酸进行杂交。当酶、靶标和crRNA分子出现并进行识别后,Cas12a酶的顺式和反式切割活性被激活,将报告分子切断,从而发生信号输出的变化。修饰在界面上的框架核酸(FNA)能够保证报告分子具有精确的密度和方向,提高了界面上的核酸杂交效率,同时大尺寸酶蛋白分子更容易接近界面上报告分子,发挥酶的最优切割活性,提高了核酸检测的灵敏度和特异性。在无扩增的情况下,实现了对HPV-16的检测,灵敏度为100 fM。三维四面体骨架核酸(FNA)的引入将进一步改进并扩展CRISPR/Cas技术在基于电化学界面的核酸分析中的应用。为了提高核酸检测的通量并降低检测成本,实验采用自制的16通道电化学工作站和丝网印刷电极实现了对多个样品的同时分析。该工作由上海交通大学个性化医学研究院助理研究员苏静完成。

论文信息:

CRISPR/Cas12a Powered DNA Framework-Supported Electrochemical Biosensing Platform for Ultrasensitive Nucleic Acid Analysis

Jing Su, Yuqing Ke, Nokuzola Maboyi, Xiao Zhi, Sijia Yan, Fuwu Li, Bo Zhao, Xiaolong Jia, Shiping Song*, Xianting Ding*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100935

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202100935