我们描述了一种利用改良石蕊试验比色检测大肠杆菌(E. coli)的实验方案,该方法结合了RNA切割型DNA酶、脲酶和磁珠技术。
我们描述了一种利用改良石蕊试验比色检测大肠杆菌(E. coli)的实验方案,该方法结合了RNA切割型DNA酶、脲酶和磁珠技术。
目前,对于可用于现场护理或野外应用的简单且有效的特定病原体检测方法的需求日益增长。这类方法需要具备良好的用户友好性,并能产生可靠的结果,以便专业人员和非专业人员都能轻松解读。pH 石蕊试纸测试因其通过简单的颜色变化报告待测样品的 pH 值,具有操作简便、快速且有效等优点。我们开发了一种方法,利用石蕊试纸测试来实现细菌检测。该方法利用一种细菌特异性的 RNA 切割型 DNA 酶,实现两个功能:识别目标细菌并调控脲酶活性的机制。通过使用固定有 DNA 酶-脲酶偶联物的磁珠,待测样品中细菌的存在会触发脲酶从磁珠释放到溶液中。释放的脲酶被转移至测试溶液,催化尿素水解生成氨,导致 pH 升高,这一变化可通过经典的石蕊试纸测试直观显示。
细菌病原体是全球发病率和死亡率的主要原因之一。由医院获得性感染、食源性病原体以及环境中细菌污染物引发的疫情,对公共卫生与安全构成严重且持续的威胁。为预防此类疫情暴发,亟需能够在多种场景下及时检测病原体的有效工具。尤其在易发生疫情但无力承担昂贵检测设施的地区,人们迫切需要简便、有效、便携且成本低廉的检测方法。1-3 尽管目前已存在多种细菌检测方法,但其中许多方法并不适合作为筛查或现场检测工具,因其检测耗时长、依赖昂贵仪器且操作流程复杂。
比色检测法因其颜色变化可通过肉眼轻易识别,特别适用于床旁检测或现场应用。pH 指示剂测试简单、快速且有效。尽管这项技术已有悠久历史,但由于其简便性和有效性,至今仍被广泛使用。令人惊讶的是,在我们近期开发出用于大肠杆菌(E. coli)检测的改良方法之前,这一简单测试从未被改造用于其他分析物的检测。4
扩展的石蕊测试 E. coli 采用三个额外的组分:一个 E. coli 活化的RNA切割型DNA酶(EC1) 5 尿素酶和磁珠。DNA酶是指具有催化活性的合成单链DNA分子。6 可以从随机序列DNA文库中分离得到 体外 筛选7,8 它们具有高度稳定性,并可利用高效自动化DNA合成技术以较低成本进行生产。9 由于这些原因,脱氧核酶(DNAzymes),特别是切割RNA的脱氧核酶,已被广泛研究用于生物传感应用。6,10,11 用于检测金属离子的RNA切割型DNA酶传感器已得到开发,12-16 小分子,17,18 细菌病原体5,19-21 和癌细胞。22 鉴于靶标诱导的RNA切割型DNA酶具有高度可获得性,任何利用DNA酶的检测方法均有望被拓展用于多种分析物的检测。
选择脲酶是因为其能够将尿素水解为氨23,24,从而导致pH升高。此外,脲酶具有高效性、稳定性,并易于与其他生物分子进行偶联。因此,我们推测将具有RNA切割功能的脱氧核酶与脲酶偶联后,可利用石蕊试验来检测其他目标分子。5
通过使用固定有DNA酶-脲酶偶联物的磁珠,可将切割RNA的DNA酶的作用传递至脲酶介导的pH升高。由于所研究的DNA酶活性严格依赖于E. coli,当待测溶液中存在该细菌时,脲酶将从磁珠上释放进入溶液,随后被转移至含有pH敏感染料的报告溶液中,用于催化尿素水解。该过程的最终结果是产生可通过染料或pH试纸方便检测的颜色变化。
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1. 试剂与缓冲液的配制
2. 合成与纯化 大肠杆菌-响应性DNA酶EC1
3. 脲酶与DNA的偶联
4. 将EC1和UrDNA组装到磁珠上
5. 细菌细胞的制备20
6. 石蕊测试
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细菌石蕊测试的原理如图1所示。该测试使用三种关键材料:一种可被特定细菌激活的RNA切割型DNAzyme、脲酶和磁珠。其中,DNAzyme作为分子识别元件,用于实现对目标细菌的高度特异性检测。脲酶和磁珠则用于将DNAzyme的RNA切割活性转化为可检测信号。该过程涉及制备负载脲酶-DNAzyme偶联物的磁珠。当存在目标细菌时,DNAzyme会切割其RNA连接部位,导致脲酶从磁珠上解离。释放出的脲酶可轻松与磁珠分离,并用于在报告溶液中引发颜色变化,该溶液含有尿素和一种pH敏感性染料。脲酶将尿素水解为氨,伴随pH升高,从而引发染料的颜色变化。
图2 展示了一种细菌石蕊测试,其中EC1作为一种 E. coli-响应性切割RNA的DNAzyme作为DNAzyme,酚红作为pH指示染料。EC1此前由本课题组通过体外筛选技术,从随机序列DNA文库中分离获得。 体外...
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通过使用脲酶和磁性分离,可将细菌响应性DNA酶的RNA切割活性转化为石蕊测试,如图1所示。5,19,20 尽管对改良石蕊测试用于细菌检测的演示是利用依赖大肠杆菌(E. coli)的RNA切割型DNA酶完成的,但该设计原则上可推广至任何RNA切割型DNA酶。鉴于针对不同分析物已有大量可用的RNA切割型DNA酶,且存在多种方法可从随机序列库中筛选出针对新靶标的新型RNA切割型DNA酶,我们预计这种改良的石蕊测试平台可进一步拓展应用于多种目标物的检测。
E. coli 检测的石蕊测试在报告反应时间分别设置为 1 小时和 2 小时时,可检测到 5,000 和 500 个细胞。常用的聚合酶链式反应(PCR)和夹心法酶联免疫吸附测定(ELISA)方法在相似的检测时间内可达到约 104–105 个 E. coli 细胞的检测限25,26。因此,该细菌石蕊测试具有相当的检测灵敏度。
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究项目的经费由加拿大自然科学与工程研究理事会(NSERC)通过向 YL 提供的发现基金(Discovery Grant)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | VWR AMRESCO | 0105 | |
| 氢氧化钠(NaOH)颗粒 | BIO BASIC CANADA INC. | SB6789 | |
| Tris碱 | VWR AMRESCO | 0497 | |
| 硼酸 | AMRESCO | 0588 | |
| 尿素 | VWR AMRESCO | M123 | |
| 40% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺(29:1)溶液 | BIO BASIC CANADA INC. | A0007 | |
| 蔗糖 | Bioshop Canada inc. | SUC507 | |
| 溴酚蓝 | Bioshop Canada inc. | BRO777 | |
| 二甲苯青FF | SIGMA-ALDRICH | X-4126 | |
| 10% 十二烷基硫酸钠 | Bioshop Canada inc. | SDS001 | |
| 盐酸(HCl) | CALEDON LABORATORIES LTD | 6026 | |
| 氯化钠(NaCl) | Bioshop Canada inc. | SOD001 | |
| 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(HEPES) | Bioshop Canada inc. | HEP001 | |
| 六水合氯化镁(II) | VWR AMRESCO | 0288 | |
| Tween 20 | Bioshop Canada inc. | TW508 | |
| 三磷酸腺苷(ATP) | AMRESCO | 0220 | |
| 三水合乙酸钠(NaOAc) | SIGMA-ALDRICH | S8625 | |
| 乙醇 | Commercial Alcohols | P016EAAN | |
| 四甲基乙二胺(TEMED) | AMRESCO | 0761 | |
| 10% 过硫酸铵(APS) | BIO BASIC CANADA INC. | AB0072 | |
| 琥珀酰亚胺基-4-(N-马来酰亚胺甲基)环己烷-1-羧酸酯(SMCC) | ThermoFisher SCIENTIFIC | 22360 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | CALEDON LABORATORIES | 803540 | |
| 脲酶 | SIGMA-ALDRICH | U0251 | |
| 1× 磷酸盐缓冲液(PBS) | ThermoFisher SCIENTIFIC | 70011-069 | |
| 0.04% 酚红 | SIGMA-ALDRICH | P3532 | |
| 10× T4多核苷酸激酶反应缓冲液 | Lucigen | 30061-1 | |
| 10× T4 DNA连接酶反应缓冲液 | Bio Basics Canada | B1122-B | |
| T4 DNA连接酶(5 U/μl) | Thermo Fischer Scientific | B1122 | |
| LB培养基(Luria Bertani Broth) | AMRESCO | J106 | |
| 琼脂 | AMRESCO | J637 | |
| T4多核苷酸激酶(10 U/μl) | Lucigen | 30061-1 | |
| E. coli K12 (MG1655) | ATCC | ATCC700926 | |
| 离心机 | Beckman Coulter, Inc. | 392187 | |
| 玻璃板 | CBS scientific | ngp-250nr | |
| 0.75 mm 厚间隔条 | CBS scientific | VGS-0725r | |
| 12孔梳 | CBS scientific | VGC-7512 | |
| 紫外灯 | UVP | 95-0017-09 | |
| 分光光度计(NanoVue) | GE Healthcare | N/A | |
| 金属板 | CBS scientific | CPA165-250 | |
| 涡旋振荡器 | VWR International | 58816-123 | |
| 凝胶电泳装置 | CBS scientific | ASG-250 | |
| 培养皿 | VWR International | 25384-342 | |
| 100 kDa MWCO 离心过滤管 | EMD Millipore | UFC510024 | |
| 磁珠(BioMag) | Bangs Laboratories Inc | BM568 | |
| 磁力分离架 | New England BioLabs | S1506S | |
| 微量离心管 | Sarstedt | 72.69 | |
| 注射器滤器(0.22 μm) | VWR International | 28145-501 | |
| 14 ml 培养管 | VWR International | 60818-725 | |
| 细胞培养孵育箱 | Eppendorf Scientific | M13520000 | |
| Branson 超声清洗机 | Branson | N/A | |
| 相机(Canon Powershot G11) | Canon | N/A | |
| 50 ml 锥形管 | VWR International | 89004-364 |
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