Taek Lee&Junhong Min:ACEF技术快速电化学-SELEX监测系统的建立及其在登革病毒配体传感器制作中的应用

文摘   2024-12-17 18:30   北京  


传统监测SELEX的方法通常为用特定标记物标记释放的DNA,如荧光染料、放射性同位素或酶。常用技术有凝胶电泳、qPCR、表面等离子体共振(SPR)、下一代测序等。这些方法通常需要延长目标结合时间,标记程序复杂。因此,制定简化的监测程序非常重要。SELEX的电化学监测方法提供了快速测量目标物质和电极表面之间反应规模的优势,无需额外的标记过程。但需要数小时或更长的孵育时间。

为了克服这些限制,本研究应用交流电热流(ACEF)技术对DNA适配体浓度进行快速电化学SELEXRE-SELEX)监测和评估。ACEF技术利用电场操纵流体流动,促进微流体系统中精确的局部样品混合,加速靶标结合,有效缩短孵育时间。非接触式流体操作极大减少污染问题,使其成为一种适用于微流体系统、化学、生命科学,尤其是小规模流体操作的通用技术。RE-SELEX监控优点:首先,无标记检测可减少对特定标记过程(如荧光染料或酶)的需要,以监测SELEX在各轮中的富集变化。其次,ACEF可在10 min内捕获并快速记录电化学信号的变化,便于监测。本研究比较和评估了金沉积微隙电极(AuIMGEs)的电化学特性和检测限(LOD),包括对登革病毒包膜(DENV E)蛋白适配体和先前研究中制备的分离适配体的解离常数(Kd值)。新设计的RE-SELEX监测过程有望快速、高效地生成用于包括病毒在内的各种靶标的适配体,促进该领域的创新发展。

1 应用ACEF开发的SELEX的快速电化学系统演化示意图

首先,利用半胱胺修饰Au电极表面,用于构建RE-SELEX监测平台,并将EDC-NHS偶联结合的DENV E蛋白固定在电极表面。采用方波伏安法(SWV)进行检测,由于生物分子固有的绝缘性,DENV E蛋白+适配体生物偶联物的形成导致电流阻断效应,电流降低。采用循环伏安法(CV)在相同条件下进行验证,两个监测方法现象一致。此外,利用原子力显微镜(AFM)对DENV E蛋白及其适配体在Au电极上沉积的适体层进行了非接触模式的表面分析,验证DENV E蛋白以及DENV E蛋白+适配体的成功固定。

2 (a) RE-SELEX系统示意图和每个固定步骤的SWV信号趋势(n=7) ;每个顺序固定步骤的AFM图:(b)裸,(c) DENVE蛋白和(d) DENV E蛋白/适体;(e) AFM的表面分析

然后,利用ACEF技术将固定化的DENV E蛋白和PCR产物在电极表面孵育10 min,监测筛选过程。随着SELEX循环的进行,第1轮到第9|Ip|逐渐降低,表明适配体与靶蛋白的结合得到改善,并确定第9轮为RE-SELEX最佳筛选轮数。选择第9轮得到dG最低的两个序列作为DENV适体候选体,即DENV 9DENV 32,适配体对DENV E蛋白的特异性结合选择性采用电泳验证,发现两条适配体均表现出较好的选择性和结合能力。采用吸附法测定了两条适配体的Kd值,证实DENV 9适配体的优越性。

3 (a) SWV测量结果(n=9);(b)每轮完成后配体系统的|ΔIp|值;(c) SELEX不同轮数的适配体吉布斯自由能热图;(d) DENV 9适体的结合试验;(e) DENV 9适配体的结合亲和性测试(n=4)

最后,评估了制备的生物传感器对DENV检测性能。使用SWV研究了不同浓度下去离子水(DIW)中DENV E蛋白检测的灵敏度。峰值电流值随着病毒浓度的增加呈线性下降,检出限为59.7 fM。还考察了生物传感器的选择性、可重复性以及准确性。与以往DENV生物传感器相比,RE-SELEX监测筛选的适体性能得到增强。

4 (a)不同浓度DENV E蛋白的SWV(n=7);(b)(a)的线性回归曲线;(c)不同浓度DENV E蛋白在5%人血清时的SWV曲线(n=7);(d)(c)的线性回归曲线;(e)不同浓度DENV E蛋白对应的电化学信号和荧光强度;(f)该生物传感器的重复性;(g)选择性(n=7);(h)生物传感器的盲测


点 评:
1. 本研究利用ACEF技术有效促进靶标-适配体的结合,显著缩短监测和检测时间,最大限度减少了标记过程,减少开发人员的工作量。
2. 制备的RE-SELEX监测系统,在各种生物传感系统中具有较好的适用性,可扩展到应用和商业技术中,有望成为快速构建基于适配体的先进诊断和检测平台。

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Jang M B, Park H B, Park H J, Yoon Y J, Lee S Y, Min J H, Lee T. Establishment of the rapid electrochemical-SELEX monitoring system by using ACEF technique and its application to dengue virus aptasensor fabrication[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 497: 154806.

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