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Method Article
基于 DNAzyme 的纳米机器可用于核酸的高选择性和灵敏检测。本文以免费软件为例,描述了使用免费软件设计具有 10-23 核心的基于 DNAzyme 的纳米机器的详细方案及其在 Epstein-Barr 病毒片段检测中的应用。
用于检测 DNA 和 RNA 序列(分析物)的基于 DNAzyme 的纳米机器 (DNM) 是由寡核苷酸制成的多功能结构。它们的功能包括紧密的分析物结合、高选择性的分析物识别、通过荧光报告基因底物的多次催化裂解放大荧光信号,以及提高传感器响应的荧光底物吸引。功能单元连接到一个共同的 DNA 支架上,以实现它们的协同作用。与非催化杂交探针相比,RNA 切割 10-23 个 DNM 具有更高的灵敏度。DNM 的稳定性和底物识别机会的增加是由双链 DNA 片段(一个 tile)提供的。DNM 可以区分折叠 RNA 和双链 DNA 中具有单核苷酸差异的两种分析物,并检测浓度比其他无蛋白杂交探针低 ~1000 倍的分析物。本文介绍了 DNA-纳米机器活性诊断潜力背后的概念,并概述了 DNM 的设计、组装和在核酸检测分析中的应用。
核酸检测的最早方法之一是选择性寡核苷酸与分析的 RNA 或 DNA 序列的互补结合。该方法采用可与靶向 DNA 或 RNA 分析物形成 Watson-Crick 碱基对的核酸片段(探针)1。然后通过各种技术将复合物与分析物和未结合的探针区分开来。某些方法(如 Northern 印迹、 原位 杂交或 qPCR)基于互补结合现象 2。最常见的杂交探针有两个明显的缺点:灵敏度低(它们可以达到微摩尔到纳摩尔水平)以及对单核苷酸变异 (SNV) 的低选择性,包括点突变。这个问题需要一种复杂的方法,因为这些缺点的解决方案是相互冲突的3.为了提供最佳选择性,检测寡核苷酸应保持足够短,以便与错配分析物形成不稳定的杂交体。这种短寡核苷酸无法紧密结合目标核酸并解开其二级结构,因此通常无法提供可检测的信号。在生物 RNA 或双链 DNA (dsDNA) 中检测富含 CG 的片段尤其具有挑战性。另一方面,长探针对 SNV3 不敏感。为了打破僵局,已经开发了二进制探针的概念4.
二元传感器将单个检测探针分成两部分并专门化其片段,使其中一个片段保持较长以解开发夹或侵入 dsDNA。第二个二元探针片段保持短,以便对不匹配的碱基敏感,从而提供了一种检测 SNV 的方法。如果两个二进制传感器部件连接在一起,就会产生信号4.完整的复合物可以通过 FRET 5、分子信标探针 6,7 或具有过氧化物酶样活性 8,9,10 的 G 四链体,或者 RNA 切割 11,12,13 DNAzyme 进行可视化。具有 10-23 DNAzyme 核心的二元传感器已经得到了充分的描述。它们已适应于检测合成产生的单链核酸片段11 或单链扩增产物14,15。例如,从细胞培养物中提取的 16S rRNA 也可以进行检测,因为该分子在细胞中含量丰富12,16。具有 10-23 DNAzyme 核心的二元传感器也可用于非核酸检测,例如铅离子17。尽管如此,低灵敏度仍然被认为是二元 10-23 DNAzyme 传感器的主要缺点之一,并且已经开发了各种方法,包括级联18 或替代信号增强方法19,来解决这个问题。遗憾的是,上述技术大大增加了传感器组件的成本和不稳定性,因此尚未付诸实践。
这项工作中描述的实验使用 10-23 个基于 DNAzyme 的 DNA 纳米传感器,称为 DNA 纳米机 (DNM)20,21。这些结构包括二元传感器以及 (1) 位于二元探针两侧的 DNA 促进剂,展开结构化区域并侵入双链 DNA,以及 (2) 将所有 DNM 部分紧密结合并增加信号形成机会的 DNA 图块(图 1)。总而言之,10-23 个基于 DNAzyme 的 DNM 将检测限 (LOD) 降低到皮摩尔范围21;它们可用于检测细胞裂解物中的 16rRNA22 或报告病毒 RNA 的存在而不进行扩增23,24。同时,DNM 对 SNV 仍然敏感,甚至可以用于对杂合生物体中的等位基因进行基因分型25。DNM 方法可用作任何扩增类型的补充技术,用于高选择性复杂混合物中的产物可视化或鉴定。与传统的 TaqMan 和信标探针不同,DNM 不需要加热样品,因此可用于终点检测方案,使整体检测具有成本效益。
本文介绍了 DNM 的计算机开发, 并演示了 DNM 的组装和功能表征程序。该工作是使用对应于病毒 DNA 13972-14154 位置 (OR652423.1) 的 Epstein-Barr 病毒 (EBV) 的合成片段进行的(参见 材料表)。
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1. DNM 设计
2. DNM 的功能测试
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第一个实验的目的是显示分析物的合成片段之前 DNM 的组装。将所有组成 DNM 链添加到反应缓冲液中并在烧杯中组装。通过天然 PAGE 评估组装的 DNM 复合物的正确大小和均一性。非变性 PAGE 显示了组装的 DNM,其中分析物位于泳道 1 中,两条 DNM 链位于泳道 2 和 4 中。如果 DNA 纳米机器没有组装,则可以看到 2 或 3 个单独的条带,而不是单个低迁移率条带( 图...
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DNA 机器的设计很简单,但需要一些设计杂交探针或功能性 DNA 纳米结构的经验。适当的做法是使分析物碎片尽可能短,以减少可能的二级结构的数量并简化 DNM 对二级结构的侵袭。CG 含量最好低于 60%,以避免稳定的分子内结构。DNM 的成功组装是在缓慢的冷却速率下实现的。在某些情况下,DNM 可以在管中自发组装,并且可以省去退火步骤。DNM 组装可以在 0.1-0.3 °C/min 的热?...
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作者声明没有利益冲突。
作者要感谢 Ekaterina V. Nikitina 慷慨提供 EBV 的 gDNA。Muhannad Ateiah、Maria Y. Berezovskaya 和 Maria S. Rubel 感谢俄罗斯联邦教育和科学部(拨款号 FSER-2022-0009)和 2030 年优先计划。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL tube | Biofil | CFT011015 | |
100 bp+ DNA Ladder | Evrogen | NL002 | |
100-1000 µL pipette | Kirgen | KG-Pro1000 | |
10-100 µL pipette | Kirgen | KG-Pro100 | |
1-10 µL pipette | Kirgen | KG-Pro10 | |
20-200 µL pipette | Kirgen | KG-Pro200 | |
2-20 µL pipette | Kirgen | KG-Pro20 | |
4x Gel Loading Dye | Evrogen | PB020 | |
Acrylamide 4K | AppliChem | A1090,0500 | |
Ammonium persulfate | Carl Roth | 2809447 | |
Biorender | Biorender | https://www.biorender.com | |
Bisacrylamide | Molekula | 22797959 | |
Boric Acid | TechSnab | H-0202 | |
ChemiDoc imaging system | BioRad | 12003153 | |
Costar 96-Well Black Polystyrene Plate | Corning | COS3915 | |
DinaMelt | RNA Institute | http://www.unafold.org/Dinamelt/applications/two-state-melting-hybridization.php | |
EDTA | Amresco | Am-O105 | |
Ethidium bromide | BioLabMix | EtBr-10 | |
HEPES | Amresco | Am-O485 | |
Magnesium chloride | AppliChem | 131396 | |
Mini Protean Tetra Cell | BioRad | 1658001EDU | |
pipette 10 µL tips | Kirgen | KG1111-L | |
pipette 1000 µL tips | Kirgen | KG1636 | |
pipette 200 µL tips | Kirgen | KG1212-L | |
Pixelmator Pro | Pixelmator Team | https://www.pixelmator.com/pro/ | |
Potassium chloride | Carl Roth | 1782751 | |
PowerPac Basic Power Supply | BioRad | 1645050 | |
RNAse/DNAse free water | Invitrogen | 10977049 | |
Sealing film for PCR plates | Sovtech | P-502 | |
Sodium chloride | Vekton | HCh (0,1) | |
Spark multimode microplate reader | Tecan | Spark- 10M | |
T100 amplificator | BioRad | 10014822 | |
TEMED | Molekula | 68604730 | |
Tris(hydroxymethyl)aminomethane | Amresco | Am-O497 | |
UNAFold | RNA Institute | http://www.unafold.org/mfold/applications/dna-folding-form.php | |
Water bath | LOIP | LB-140 | |
Oligos used | |||
Analyte: | Evrogen | direct order, standard desalting purification | |
GAGCACTTGGTCAGGCACACGG ACAGGGTCAGCGGAGGACGCG TGGCACAGCAGCCCGGGGTAG GTCCCCTGGACCTGCCGCTGG CGGACTACGCCTTCGTTGC | |||
Tile-Arm3: | Evrogen | direct order, standard desalting purification | |
CCG GGCTGCTGTGCCATTTT TTGCTGACTACTGTCACCTCT CTGCTAGTCT | |||
Dzb-Tile: AGACTAGCAGAGAGGTGACAG TAGTCAGCTTTTTTCGCGTCCTC CGCTGACCACAACGAGAGGAA ACCTT | Evrogen | direct order, standard desalting purification | |
Dza: TGCCCAGGGAGGCTAGCTCT GTCCGTGTGCCTGACCA | Evrogen | direct order, standard desalting purification | |
F-sub oligonucleotide: AAGGTT(FAM)TCCTCrGrU CCCTGGGCA-BHQ1 | DNA-Syntez | direct order, HPLC purification |
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