Nükleik Asitlerin bir Polyaniline tabanlı sensör

Özet

Nucleic acids are common analytes for assessing biological systems; however, bias from enzymatic manipulation can cause concern. Here a method is described for label-free detection of nucleic acids using polyaniline. This sensitive, cost-effective sensor technology can distinguish single nucleotide differences between molecules.

Özet

Detection of nucleic acids is at the center of diagnostic technologies used in research and the clinic. Standard approaches used in these technologies rely on enzymatic modification that can introduce bias and artifacts. A critical element of next generation detection platforms will be direct molecular sensing, thereby avoiding a need for amplification or labels. Advanced nanomaterials may provide the suitable chemical modalities to realize label-free sensors. Conjugated polymers are ideal for biological sensing, possessing properties compatible with biomolecules and exhibit high sensitivity to localized environmental changes. In this article, a method is presented for detecting nucleic acids using the electroconductive polymer polyaniline. Simple DNA "probe" oligonucleotides complementary to target nucleic acids are attached electrostatically to the polymer, creating a sensor system that can differentiate single nucleotide differences in target molecules. Outside the specific and unbiased nature of this technology, it is highly cost effective.

Giriş

Conjugated polymers provide many options for molecular sensors. This includes fluorescence, electronic, and colorimetric responses¹. There have been many efforts to incorporate conjugated polymers in nucleic acid sensors. However, most systems require secondary detection, limiting sensing options². Recently, we reported a conjugated polymer-based sensor platform built on polyaniline (PANI) that exploits properties of this polymer, creating a label-free system³. PANI is an extensively conjugated electro-active polymer with properties such as fluorescence and resistance that are suitable for measuring biological systems⁴. The excitons within the structure are not localized leading to mobility of the positive charge between monomeric subunits. This provides a flexible scaffold of positive charges that can interact with the negatively charged backbone of DNA^5,6. Importantly, electrostatically attached DNA is orientated such that nitrogenous bases can participate in base pairing. Association with DNA alters the electronic properties of PANI, an effect that can be enhanced by UV irradiation (Figure 1)³. Using this system, oligonucleotides complementary to target nucleic acids can be immobilized on PANI. Multiple studies have demonstrated that upon hybridization electrostatically adsorbed oligonucleotides dissociate from PANI or other cationic matrices due to conformational changes caused by the switch to a double-stranded DNA structure^3,5,7.

In a sensor system where probe attachment modulates conjugated polymer properties, hybridization events can be transduced without labels or enzymatic modification of probes or target nucleic acids. Conjugated polymers offer great flexibility in detection methods, one of which is fluorescence. Through monitoring PANI fluorescence, concentrations of target nucleic acids as low as 10^-11 M (10 pM) can be detected³. Detection is rapid, occurring within 15 minutes of hybridization, and specific where a single mismatch in a target molecule can be differentiated³.

Fabrication of PANI-sensors is straightforward. High molecular weight PANI can be generated that is well-dispersed in water using standard synthesis procedures involving aniline monomer, surfactant, and controlled addition of an oxidant. Yield can be very high and unreacted oxidant removed by washing with water, ensuring no further PANI growth. PANI-probe association occurs spontaneously upon mixture, and complex formation is enhanced by mild UV exposure. Hybridization can be carried out immediately, and the changes in PANI fluorescence assayed following a short incubation. The simplicity of this technology makes it highly accessible to many laboratories.

Protokol

1. İşlenebilir PANI Sentezi

1. 250 mL'lik yuvarlak dipli bir şişede kloroform, 60 ml tamamen (1 mi, 11 mmol) anilin içinde çözülür. 600, 5 dakika boyunca rpm'de ve buz ile 0-5 ° C'ye soğutun karıştırın. Bu, genellikle 15-20 dakika (Şekil 2A) alır.
2. 600 rpm'de karıştırılırken, yuvarlak dipli bir reaksiyon kabına, anilin çözeltisine, sodyum dodesil benzen sülfonat (NaDBS) (7.44 gr, 21 mmol) ekleyin.
3. 20 ml su içindeki amonyum persülfat (APS) (3.072 gr, 13.5 mmol) çözündürülür ve tüm damla damla 30 dakika boyunca reaksiyon aşırı ısınmasını önlemek için ekleyin.
4. 24 saat süre ile 0-5 ° C'de reaksiyonun yürütülmesi ve başka bir 24 saat süre ile oda sıcaklığına ulaşmasına izin verir.
5. Reaksiyon karışımı başlangıçta 15 dakika sonra süt beyazı edecek dikkat, 2 saat sonra, ve son olarak da 24 saat (Şekil 2B-F) sonra, koyu yeşil, sonra koyu kahverengi.
6. Buchner hunisi ile PANI-NaDBS çözelti filtre. olarak 80 ml kloroform ve 120 ml su ile karıştırılırAyırma hunisi (Şekil 2G).
7. Sulu süpernatan içinde reaksiyona girmemiş NaDBS ve APS bırakarak, oda sıcaklığında 24 saat boyunca çözelti inkübe ve ayırma hunisinden koyu yeşil Pani toplar.

2. PANI-prob Karıştırma ve UV Işınlama

1. kloroform-su ile PANI çözeltisi 10x seyreltilir (1: 3 h / h) ile bir mikrofüj tüpü içinde, 15 dakika boyunca hafif sallanan probun DNA oligonükleotitleri 6.4 umol ile seyreltildi PANI 200 ul karıştırın.
2. 2 dakika boyunca, bir çapraz bağlayıcı UV 1200 μJ / ^cm2 olan PANI-DNA eriyiği ışın tedavisi. UV maruziyeti belirtilen tutarla sınırlı olduğu önemlidir. UV uzun süre maruz Bayan ve DNA kovalent çapraz bağlanma nedeniyle olası Pani floresans değişikliği ödün.
3. 6 dakika boyunca 17,000 x g'de santrifüj ile pelet kompleksleri ve fosfat tamponlu tuzlu su (PBS) ile yıkanır. Yine pelet ve PBS içinde yeniden askıya.

3. HPani-prob ybridization

1. Pani-prob komplekslerinin 200 ul nükleik asitleri 100 uM tamamlayıcı DNA oligonükleotidleri 8 ul ekle hedefler.
2. 40 ° C'de 15 dakika boyunca çözelti karışımı sallanmasıyla hibridizasyon gerçekleştirmek ° C.
3. 6 dakika boyunca 17,000 x g'de santrifüj ile PANI kompleksleri Pelet. PBS ile yıkayın ve su yeniden askıya.

4. Emisyon Kararlı Hal Floresan Ölçüm

1. 250 nm'de eksitasyon ile 96 oyuklu mikro-, farklı tedaviler Pani ekleyin ve 270-850 nm aralığında emisyon floresan ölçer. Pani bir emisyon tepe 500 nm civarında gözlenmelidir.

Melezleştirilmiş Dubleks 5. Floresan Mikroskopi Ölçümü

1. 48 saat süre ile, 40 ° C'de bir borosilikat cam lamel üzerine kuru kaplama Pani bırakın.
2. Kurutulmuş PANI film üzerine prob (100 uM 8 ul) ilave edin ve UV ışığı (1.200 μJ / ^cm2 ile ışın ) 2 dakika karıştırıldı.
3. 48 saat süre ile, 40 ° C'de PANI-prob PBS ile film ve kuru yıkayın.
4. Hedef nükleik asitleri ilave edilerek 15 dakika boyunca hibridizasyon gerçekleştirmek. Bu, bir biyolojik numune veya bir kontrol hedef oligonükleotit (100 uM 8 ul) olabilir. PBS yıkama izleyin.
5. 500 nm uzun geçiş filtresi ile, 40X büyütmede floresan görüntüleri elde edebilir.

Sonuçlar

Şekil 2A, APS ilave edilmeden önce polimerizasyon işlemi, örneğin, başlangıcında Reaksiyon setup yakalar. Misel oluşumu misel arayüzü süreç PANI sentezi meydana reaksiyonda ilk adımdır. Şekil 2B, 5 dakika sonra süt bir çözümü göstermektedir. APS Reaksiyon ilave edildikten sonra 30 dakika hafif kahverengi bir renge dönüşür. Şekil 2C oligomerler oluşumu ile bağlantılı bir renk değişikliği gösteri...

Tartışmalar

Nükleik asitlerin bir PANI tabanlı sensör DNA ve RNA ile etkileşime girmesi için, su içinde polimerin çözünür hale gerektirir. Su içinde PANI dispersiyon, daha önce rapor edildiği gibi ⁸ miseller oluşturan, yüzey aktif maddeler kullanılarak gerçekleştirilir. 4-sülfoftalik asit dodesil ester gibi diğer anyonik yüzey aktif maddeler Burada kullanılan NaDBS ek olarak, nonil fenol etoksilat veya setiltrimetil amonyum bromür katyonik yüzey iyonik olmayan yüzey aktif maddeler de işlenebilir...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aniline	Fisher Scientific	A7401-500	ACS, liquid, refrigerated
Ammonium peroxydisulfate	Fisher Scientific	A682-500	ACS, crystalline
Sodium dodecylbenzene sulfonate	Pfaltz & Bauer	D56340	95% solid
Chloroform	Fisher Scientific	MCX 10601	Liquid
DNA primers	MWG operon	n/a	custom DNA sequence ~20 bps
Microplate	USA Scientific	1402-9800	96 well, polypropylene as it is unreactive to chloroform
Microplate Adhesive Film	USA Scientific	2920-0000	Reduces well-to-well contamination, sample spillage and evaporation
Microscope Cover Glass	Fisher Scientific	12-544-D	PANI coated on UV irradiated cover glass
UV crosslinker	UVP	HL-2000	Energy: X100 μJ/cm2; Time: 2 min
Hybridization Oven	VWR	01014705 T	Temperature: 400 °C; with rocking for 15 min
Glass Apparatus	Fisher Scientific		Three necked round bottom flask for reaction; dropping funnel, stoppers, condenser, separating funnel
Microscope	Leica Microsystems	Leica IMC S80	Magnification 20X; Pseudo color 536 nm; Exposure 86 msec; Gain 1.0x; Gamma 1.6
Microplate Reader	Molecular Devices	89429-536