Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Наномашины на основе ДНКферментов могут быть использованы для высокоселективного и чувствительного детектирования нуклеиновых кислот. В данной статье описан подробный протокол проектирования наномашин на основе ДНКферментов с ядром 10-23 с использованием свободного программного обеспечения и их применение при обнаружении фрагмента вируса Эпштейна-Барр в качестве примера.
Наномашины на основе ДНК (DNM) для обнаружения последовательностей ДНК и РНК (аналитов) представляют собой многофункциональные структуры, изготовленные из олигонуклеотидов. Их функции включают плотное связывание аналита, высокоселективное распознавание аналита, усиление флуоресцентного сигнала путем многократного каталитического расщепления флуорогенной репортерной подложки и притяжение флуорогенной подложки для увеличения отклика сенсора. Функциональные единицы прикрепляются к общему каркасу ДНК для их совместного действия. ДНК, расщепляющие РНК 10-23, отличаются повышенной чувствительностью по сравнению с некаталитическими гибридизационными зондами. Стабильность DNM и повышенные шансы распознавания субстрата обеспечиваются двухцепочечным фрагментом ДНК – плиткой. DNM может дифференцировать два аналита с разницей в одном нуклеотиде в свернутой РНК и двухцепочечной ДНК и обнаруживать аналиты в концентрациях в ~1000 раз ниже, чем у других зондов безбелковой гибридизации. В данной статье представлена концепция, лежащая в основе диагностического потенциала активности ДНК-наномашин, а также рассмотрены разработка, сборка и применение ДНК в анализах детекции нуклеиновых кислот.
Одним из самых ранних методов обнаружения нуклеиновых кислот является комплементарное связывание селективных олигонуклеотидов с анализируемыми последовательностями РНК или ДНК. В этом методе используются фрагменты нуклеиновых кислот (зонды), которые могут образовывать пары оснований Уотсона-Крика с целевым аналитом ДНК или РНК1. Затем комплекс дифференцируется от аналита и несвязанного зонда с помощью различных методов. Некоторые методы, такие как Норн-блоттинг, гибридизация in situ или кПЦР, основаны на явлении комплементарного связывания2. Наиболее распространенные гибридизационные зонды имеют два существенных недостатка: низкую чувствительность (они могут достигать микромолярного и наномолярного уровней), а также низкую селективность к однонуклеотидным вариациям (SNV), включая точечные мутации. Этот вопрос требует сложного подхода, так как решения этих недостатков противоречат друг другу3. Для обеспечения наилучшей селективности детектирующий олигонуклеотид должен быть достаточно коротким, чтобы образовывать нестабильные гибриды с несовпадающими аналитами. Такие короткие олигонуклеотиды не способны плотно связывать целевые нуклеиновые кислоты и раскручивать их вторичные структуры, поэтому часто не могут обеспечить обнаруживаемый сигнал. Особенно сложно обнаружить богатые компьютерной графикой фрагменты в биологической РНК, или двухцепочечной ДНК (дцДНК). С другой стороны, длинные пробники нечувствительны к SNV3. Чтобы выйти из тупика, была разработана концепция двоичного зонда4.
Бинарные датчики разделяют один зонд обнаружения на две части и специализируют его фрагменты, сохраняя один из них длинным, чтобы раскрутить шпильки или вторгнуться в дцДНК. Второй фрагмент двоичного зонда остается коротким, чтобы быть чувствительным к несовпадающему основанию, что обеспечивает средства для обнаружения SNV. Сигнал будет получен, если две части двоичного датчика будут соединены вместе4. Весь комплекс может быть визуализирован с помощью FRET5, молекулярного маякового зонда 6,7 или G-квадруплексов с пероксидазоподобной активностью 8,9,10, или РНК-расщепляющего 11,12,13 ДНКфермента. Подробно описаны бинарные сенсоры с ядром из 10-23 ДНКферментов. Они были адаптированы для обнаружения фрагментов одноцепочечных нуклеиновых кислот, созданных синтетическим путем11, или одноцепочечных продуктов амплификации14,15. Обнаружение без амплификации также возможно, например, в случае 16S рРНК, выделенной из клеточной культуры, поскольку эта молекула в изобилии присутствует в клетках12,16. Бинарные сенсоры с ядром 10-23 DNAzyme также могут быть адаптированы для обнаружения ненуклеиновых кислот, таких как ионы свинца17. Тем не менее, низкая чувствительность по-прежнему считается одним из основных недостатков двоичных 10-23 DNAzyme сенсоров, и для решения этой проблемы были разработаны различные подходы, включая каскады18 или альтернативные методы усиления сигнала19. К сожалению, вышеперечисленные методики резко увеличивают стоимость и нестабильность компонентов сенсора, и поэтому они так и не получили практического применения.
В эксперименте, описанном в данной работе, используются 10-23 ДНК-наносенсора на основе ДНКферментов, называемых ДНК-наномашинами (ДНК)20,21. Эти структуры включают в себя бинарные сенсоры, а также (1) фасилитаторы ДНК, расположенные по бокам от бинарного зонда, раскручивающие структурированные области и вторгающиеся в двухцепочечные ДНК, и (2) плитку ДНК, которая удерживает все части ДНК вместе в непосредственной близости и увеличивает вероятность формирования сигнала (рис. 1). В целом, 10-23 ДНК на основе ДНКферментов снижают предел обнаружения (LOD) до пикомолярного диапазона21; они могут быть использованы для обнаружения 16рРНК в клеточных лизатах22 или сообщения о наличии вирусной РНК без амплификации 23,24. В то же время ДНК остаются чувствительными к SNV и даже могут быть использованы для генотипирования аллелей в гетерозиготныхорганизмах25. Метод DNM может быть использован в качестве дополнительного метода к любому типу амплификации для визуализации продукта или идентификации продукта в сложной смеси с высокой селективностью. DNM, в отличие от обычных TaqMan и маячковых зондов, не требуют нагрева образца и поэтому могут использоваться в протоколах обнаружения конечных точек, что делает общее обнаружение экономически эффективным.
В данной статье описывается разработка DNM in silico и демонстрируются процедуры сборки и функциональной характеристики DNM. Работа выполнена с использованием синтетического фрагмента вируса Эпштейна-Барр (ВЭБ), соответствующего положениям 13972-14154 вирусной ДНК (OR652423.1) (см. Таблицу материалов).
1. Проектирование DNM
2. Функциональный тест DNM
Цель первого эксперимента состояла в том, чтобы показать сборку ДНМ до синтетического фрагмента анализируемого вещества. Все составляющие нити DNM добавляли в реакционный буфер и собирали в стакан. Собранный комплекс DNM оценивался на корректность по размеру и однород?...
Проектирование ДНК-машин является простым, но требует некоторого опыта в разработке гибридизационных зондов или функциональных наноструктур ДНК. Целесообразно делать фрагмент анализируемого материала как можно короче, чтобы уменьшить количество возможных вторичн...
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Авторы выражают благодарность Екатерине Владимировне Никитиной за любезное предоставление гДНК ВЭБ. Муханнад Атейя, Мария Юрьевна Березовская и Мария Сергеевна Рубель благодарят Министерство образования и науки Российской Федерации (грант No ФСЭР-2022-0009) и программу «Приоритет 2030».
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены