Forscher des Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology (SIBET) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich eine strukturierte DNA-Assemblierungsstrategie Hand in Hand vorgeschlagen und einen elektrochemischen/fluoreszierenden Dual-Mode-Biosensor für zirkulierende Tumor-DNA auf Basis von Methylenblau entwickelt und rot emittierende Kohlenstoff-Nanopunkte.
Der neue Sensor kombiniert die Eigenschaften von elektrochemischen und fluoreszierenden Sensoren, deren Signalquellen und Konstruktionsmethoden normalerweise sehr unterschiedlich sind, so die Forscher.
Ein elektrochemischer Sensor ist ein qualitatives oder quantitatives Verfahren, das auf der Korrelation zwischen der durch das Ziel verursachten Änderung des elektrischen Signals und der Konzentration oder anderen physikalischen Parametern basiert. Ein Fluoreszenzsensor ist ein Verfahren zur qualitativen oder quantitativen Detektion, indem eine spezifische Kombination aus Ziel und Erkennungselement auf das Fluoreszenzelement übertragen wird, was die Änderung der Fluoreszenzintensität oder der Emissionswellenlänge bewirkt.
„Die Integration der beiden Technologien zur synchronen Erkennung in einem einzigartigen System kann nicht nur die Erkennungsgenauigkeit effektiv verbessern, sondern auch den Einfluss von Hintergrundsignalen, Instrumentenschwankungen und anderen Faktoren auf die erhaltenen Signale reduzieren“, sagte Miao Peng, leitender Forscher der Studie und auch ein Wissenschaftler von SIBEBT.
Insbesondere wird die Sonde A in diesem Sensor an der Elektrodenoberfläche über die an ihrem 5′-Ende markierte Thiolgruppe immobilisiert. In Gegenwart des Ziels werden vollständige Doppelstränge zwischen dem Ziel und seiner Bindungsdomäne in Sonde A gebildet.
In der Zwischenzeit wird die Stammregion geöffnet und eine einzelsträngige Region freigesetzt, die für die Öffnung der zweiten Haarnadel von Sonde B verantwortlich ist. Sie wird zuvor mit einem rot emittierenden Kohlenstoff-Nanopunkt über das 3′-terminale NH2 konjugiert. Anschließend wird die Haarnadelstruktur von Sonde C mit der freigesetzten einzelsträngigen Region von Sonde B geöffnet.
Darüber hinaus ist Sonde C in der Lage, die Zielsequenz zu verdrängen, um eine vollständige Dreiwege-Verbindungsstruktur zu bilden. Das Target wird somit wiederverwertet und unterstützt die Bildung mehrerer Dreiwegekreuzungen. Da reichlich Methylenblaumoleküle am 3′-Ende von Sonde C in der Nähe der Elektrodengrenzfläche angeordnet sind, konnte eine signifikante elektrochemische Reaktion aufgezeichnet werden, um das Ziel aufzudecken.
Der freigesetzte einzelsträngige Schwenkarm, der durch das 3′-Ende von Sonde A und das 5′-Ende von Sonde B an der Dreiwege-Verbindung gebildet wird, wirkt als das DNAzyme, das das 3′-Ende von Sonde B an der benachbarten Dreiwege-Verbindung koppelt Substrat. Auf diese Weise wird eine Hand-in-Hand-strukturierte DNA-Monoschicht hergestellt.
Bei Vorhandensein von Mg2+ kann die Substratsequenz gespalten werden und die konjugierten Kohlenstoff-Nanodots werden in die Lösung freigesetzt. „Durch die Messung der erhöhten Fluoreszenzemission kann das ursprüngliche Zielniveau auch durch die Fluoreszenztechnik bewertet werden“, sagte Miao.
Theoretische Berechnungen und Gelelektrophorese-Bildgebung bestätigten die Durchführbarkeit der Reaktion. Die synthetisierten Kohlenstoff-Nanopunkte haben eine starke Anti-Interferenz und können eine hohe Fluoreszenzstabilität in der physiologischen Umgebung aufrechterhalten.
Durch eine Reihe von Zustandsoptimierungen und quantitativen Tests erstellten Miao und sein Team die linearen Kalibrierungskurven der elektrochemischen/Fluoreszenzintensitäten und der Zielkonzentration, die einen breiten linearen Bereich von sechs Größenordnungen erreichen können.
Gleichzeitig kann der Inhalt des Targets auch durch Fluoreszenzbildgebung leicht unterschieden werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Dual-Mode-Sensor ist neuartig mit hoher Empfindlichkeit und starker Skalierbarkeit, der ein leistungsfähiges Werkzeug für die Nukleinsäureanalyse und die klinische Diagnose darstellen kann.
Es wird erwartet, dass der Sensor in der Grundlagenforschung, Umweltdetektion, klinischen Studien und anderen Bereichen weit verbreitet sein wird.
Die Ergebnisse der Studie wurden in der neuesten Ausgabe des veröffentlicht Zeitschrift für Verfahrenstechnik.
Guangxing Liu et al, Hand-in-Hand-strukturierte DNA-Monoschicht für die Dual-Mode-Analyse zirkulierender Tumor-DNA, Zeitschrift für Verfahrenstechnik (2022). DOI: 10.1016/j.cej.2022.138069