武漢大學(xué)在生物傳感器構(gòu)建方面取得進(jìn)展

近日，武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院李誠(chéng)予副教授在CRISPR/Cas12a生物傳感器的構(gòu)建方面取得階段性進(jìn)展，研究成果“A boosting upconversion luminescent resonance energy transfer and biomimetic periodic chip integrated CRISPR/Cas12a biosensor for functional DNA regulated transduction of non-nucleic acid target”發(fā)表于SCI一區(qū)期刊《Biosensors and Bioelectronics》上。

近年來(lái)，基于Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) 的基因編輯技術(shù)受到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。這項(xiàng)革命性技術(shù)的靈感是來(lái)源于細(xì)菌和病毒在生命進(jìn)化歷史上進(jìn)行斗爭(zhēng)所產(chǎn)生的免疫應(yīng)答模式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是病毒能把自己的基因整合到細(xì)菌內(nèi)，利用細(xì)菌的細(xì)胞工具為自己的基因復(fù)制服務(wù)，而細(xì)菌為了將病毒的外來(lái)入侵基因清除，進(jìn)化出CRISPR系統(tǒng)。利用這個(gè)系統(tǒng)，細(xì)菌可以不動(dòng)聲色地把病毒基因從自己的基因組上切除。

由于CRISPR系統(tǒng)需要核酸酶（Cas蛋白）結(jié)合一段引導(dǎo)RNA（CrRNA）來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)核酸的特異性識(shí)別，因此該技術(shù)在實(shí)際操作過(guò)程中具有很高的精準(zhǔn)度。相比于早期發(fā)現(xiàn)的CRISPR/Cas9系統(tǒng)，近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的CRISPR/Cas12a系統(tǒng)不僅具備CRISPR/Cas9的cis cleavage功能，還可實(shí)現(xiàn)一種特殊的trans cleavage效應(yīng)，即額外對(duì)任意“非目標(biāo)”核酸序列進(jìn)行切割。

近期，借助CRISPR/Cas12a優(yōu)異的目標(biāo)物識(shí)別精準(zhǔn)度以及trans cleavage能力，研究人員基于電化學(xué)、比色、熒光等分析平臺(tái)構(gòu)建了一系列的生物傳感器，其中熒光分析受到更為廣泛的關(guān)注。但是，由于缺少有效的目標(biāo)物轉(zhuǎn)導(dǎo)模式，目前所報(bào)道的CRISPR/Cas12a傳感器都只能用于單純核酸的檢測(cè)。為進(jìn)一步擴(kuò)大分析物的范圍，李誠(chéng)予副教授在本工作中將“功能化DNA”這一概念引入CRISPR/Cas12a系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)非核酸目標(biāo)物的轉(zhuǎn)導(dǎo)。通過(guò)將適配體和DNAzyme作為功能化DNA，上述CRISPR/Cas12a傳感器可有效對(duì)模型目標(biāo)物ATP和Na+分別進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

由于目前所構(gòu)建的CRISPR/Cas12a熒光生物傳感器都是基于傳統(tǒng)的斯托克斯熒光發(fā)射模式（可見(jiàn)光激發(fā)），因此它們?cè)趶?fù)雜生物樣本（如細(xì)胞提取液，人體體液）中仍存在挑戰(zhàn)。為解決這一問(wèn)題，李誠(chéng)予副教授將“基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光的發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（LRET）”這一檢測(cè)模式進(jìn)一步引入到CRISPR/Cas12a系統(tǒng)中。由于上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNP）的尺寸較大（一般> 20 nm）, 將UCNP作為能量供體的LRET體系存在能量轉(zhuǎn)移效率很低（一般< 50%）這一瓶頸。李誠(chéng)予副教授在本工作中構(gòu)建了一種“能量集中”型UCNP，即通過(guò)構(gòu)建一種“三明治”結(jié)構(gòu)的UCNP，將上轉(zhuǎn)換發(fā)光區(qū)域極大地局限于一個(gè)很窄的內(nèi)殼層內(nèi)（~ 2.5 nm）?；谝陨显O(shè)計(jì)理念，上述改進(jìn)的UCNP對(duì)其表面所偶聯(lián)的報(bào)道DNA（修飾有BHQ-1分子）的能量轉(zhuǎn)移效率可被顯著提升至92.9%。

“能量集中”型UCNP與仿生周期芯片相結(jié)合的針對(duì)非核酸目標(biāo)物的CRISPR/Cas12a生物傳感器原理圖

為進(jìn)一步提升分析靈敏度并同時(shí)實(shí)現(xiàn)“即使檢測(cè)”，李誠(chéng)予隨后將上述傳感體系負(fù)載于一種特殊的“仿生”周期芯片當(dāng)中。通過(guò)選用光子晶體作為信號(hào)放大器與芯片界面，上述上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度可被大幅提升35倍。同時(shí)，該傳感器可在便攜式手持980 nm激光器的照射下，通過(guò)手機(jī)拍照這一簡(jiǎn)單的方式來(lái)進(jìn)行定量檢測(cè)，對(duì)ATP和Na+的檢出限可分別低至18 nM和0.37 μM，并具有很好的特異性。此外，該方法不僅可有效對(duì)單細(xì)胞水平內(nèi)的ATP含量變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還可準(zhǔn)確分析低血鈉患者中的血漿鈉含量。

上述論文武漢科技大學(xué)為第一完成單位，李誠(chéng)予副教授為第一作者兼通訊作者，武漢大學(xué)唐宏武教授為共同通訊作者，武漢大學(xué)鄭貝博士為共同第一作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（21904102, 81772256和21827808）的支持。

原文標(biāo)題：武漢科技大學(xué)構(gòu)建新型CRISPR/Cas12a生物傳感器，幫助實(shí)現(xiàn)非核酸目標(biāo)物的轉(zhuǎn)導(dǎo)

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