Name: 核酸のポリアニリンベースのセンサ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-01T10:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 58 s
Description: 学ぶポリアニリンを用いたラベルフリー核酸検出法。RNAやDNAを酵素処理なしで直接検出し、一塩基差異も識別可能。低コストで簡便なこの手法は、診断技術の新たな応用に向けた有望なツールとなる。

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1.加工可能PANI合成<ol><li> 250mL丸底フラスコ中で完全にクロロホルム60ml中のアニリン（1 mlの11ミリモル）に溶解します。 5分間600rpmで撹拌し、氷で0〜5℃に冷却します。これは通常、15〜20分（ 図2A）を取ります。 </li><li> 600rpmで攪拌しながら、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（NaDBS）（て7.44 gの21ミリモル）丸底フラスコ中のアニリンの溶液に加えます。 </li><li> 20ミリリットルの水に過硫酸アンモニウム（APS）（3.072グラム、13.5ミリモル）を溶解し、ドロップワイズ30分かけて反応の過熱を防ぐため、それのすべてを追加します。 </li><li> 24のための時間0-5℃で反応を行い、それがさらに24時間室温に到達させます。 </li><li>この反応混合物は、最初は15分後に乳白色を回して観察し、2時間後、最終的には24時間（ 図2B-F）の後に暗緑色に暗褐色。 </li><li>ブフナー漏斗とPANI-NaDBSソリューションをフィルタリングします。 80 mLのクロロホルムと120ミリリットルの水と混合eparation漏斗（ 図2G）。 </li><li>水性の上清中の未反応NaDBSとAPSを残して、室温で24時間のためのソリューションをインキュベートし、分離漏斗から暗緑色PANIを集めます。 </li></ol> 2. PANI-プローブ混合とUV照射<ol><li>クロロホルム - 水でPANI液10倍に希釈（1：3 V / V）および微量遠心管中で15分間穏やかに振動することにより、プローブDNAオリゴヌクレオチドの6.4μmolので希釈したPANIの200μLを混ぜます。 </li><li> 2分間架橋剤中のUVの1200μJ/ cm 2のPANI-DNA溶液を照射します。 UV露光が示された量に制限されていることが重要です。紫外線に長時間さらさは、PANIとDNAの共有結合架橋に起因する可能性が高いPANI中の蛍光変化を、損ないます。 </li><li> 6分間の17000×gで遠心分離によってペレット錯体、およびリン酸緩衝生理食塩水（PBS）で洗浄します。再びペレット化し、PBS中に再懸濁します。 </li></ol> 3. HPANI-プローブのybridization <ol><li> PANI-プローブ複合体の200μlに核酸を100μMの相補的なDNAオリゴヌクレオチドを8μlを添加またはターゲット。 </li><li> 40で15分間混合液をロッキングすることによりハイブリダイゼーションを行います °C。 </li><li> 6分間の17000×gで遠心分離することによってPANI複合体をペレット化。 PBSで洗浄し、水に再懸濁します。 </li></ol> 4.排出定常の蛍光測定<ol><li> 250 nmで励起することにより、96ウェルマイクロプレートに異なる処理からPANIを追加し、270から850 nmの範囲の発光蛍光を測定します。 PANIのための発光ピークは、500nm付近に観察されるべきです。 </li></ol>ハイブリダイズした二重の5蛍光顕微鏡測定<ol><li> 48時間、40℃でホウケイ酸ガラスのカバースリップとドライにコートPANIをドロップします。 </li><li>乾燥したPANI膜の上にプローブ（100μMの8μl）を追加し、UV光（1200μJ/ cm 2のそれを照射</su2分間のp&gt;）。 </li><li> 48時間40℃でPANI-プローブPBSでフィルムや乾燥を洗ってください。 </li><li>標的核酸を添加することにより15分間ハイブリダイゼーションを行います。これは生物学的サンプルまたは制御目標オリゴヌクレオチド（100μMの8μL）である可能性があります。 PBS洗浄に従ってください。 </li><li> 500 nmのロングパスフィルタを用いて、40X倍率で蛍光画像を取得します。 </li></ol>

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<li>Kadashchuk, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Localized+trions+in+conjugated+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+B%22%5BJournal%5D)">Localized trions in conjugated polymers.</a> Phys Rev B. 76 (23), 235205(2007).</li>
<li>Chang, H., Yuan, Y., Shi, N., Guan, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+DNA+Biosensor+Based+on+Conducting+Polyaniline+nanotube+Array%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Electrochemical DNA Biosensor Based on Conducting Polyaniline nanotube Array.</a> Anal. Chem. 79, 5111-5115 (2007).</li>
<li>Zhu, N., Chang, Z., He, P., Fang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemically+fabricated+polyaniline+nanowire-modified+electrode+for+voltammetric+detection+of+DNA+hybridization%5BTitle%5D)+AND+%22Eletrochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Electrochemically fabricated polyaniline nanowire-modified electrode for voltammetric detection of DNA hybridization.</a> Eletrochim. Acta. 51, 3758-3762 (2006).</li>
</ol>

この研究は、南ミシシッピ大学科学技術大学、ミシシッピ科学技術大学、およびミシシッピINBREプログラム(国立総合医科学研究所からの賞番号P204M103476)によって支援されました。

核酸のPANIベースのセンサーは、DNAやRNAと相互作用するために、水中でのポリマーの可溶化を必要とします。水中のPANI分散物は、以前8報告されているように、ミセルを形成する界面活性剤を使用して達成されます。 4-スルホフタル酸ドデシルエステルなどの他の陰イオン界面活性剤ここで用いられるNaDBSに加えて、ノニルフェノールエトキシレート、またはセチルトリメチルアンモニウムブロミドのようなカチオン性界面活性剤などの非イオン界面活性剤はまた、加工PANI 9,10の合成のために使用することができます。ここに記載した合成は、アニオン性界面活性剤NaDBSの一定の割合で始まる2で単量体アニリンに追加：1のモル比。界面NaDBSミセルポリマー油滴と水との間の平衡を確立することにより、クロロホルム - 水に乳化アニリンモノマーの重合を可能にする高親水性 - 親油性バランス（HLB）を有します。 GRのミセルを生成するために1.5のモル比：酸化APSを1で添加します内部コアは、核剤として作用するPANIを、による。さらに、周囲の溶媒11,12と動的平衡にPANIを維持しながら、これ...

共役ポリマーは、分子センサーに多くの選択肢を提供します。これには、蛍光応答、電子応答、および比色応答が含まれます1。共役ポリマーを核酸センサーに組み込むための多くの取り組みが行われています。ただし、ほとんどのシステムでは二次検出が必要であり、検出オプション2が限られています。最近、ポリアニリン(PANI)上に構築された共役ポリマーベースのセンサープラットフォームを報告しました。このセンサーの特性を利用して、ラベルフリーシステム3を作成します。PANIは、蛍光や抵抗などの特性を持つ広範囲に結合した電気活性ポリマーで、生体システムの測定に適しています4。構造内の励起子は局在化せず、モノマーサブユニット間の正電荷の移動性につながります。これにより、DNA5,6の負に帯電した骨格と相互作用できる正電荷の柔軟な足場が提供されます。重要なことは、静電的に結合したDNAは、窒素含有塩基が塩基対形成に参加できるように配向されていることです。DNAとの結合はPANIの電子特性を変化させますが、この効果はUV照射によって増強されます(図1)3。このシステムを使用すると、標的核酸に相補的なオリゴヌクレオチドをPANIに固定化できます。複数の研究により、ハイブリダイゼーション時に静電吸着されたオリゴヌクレオチドは、二本鎖DNA構造への切り替えによって引き起こされる立体配座の変化により、PANIまたは他のカチオン性マトリックスから解離することが実証されています3,5,7。
プローブの付着が共役ポリマーの特性を調節するセンサーシステムでは、プローブや標的核酸の標識や酵素修飾なしにハイブリダイゼーションイベントを形質導入することができます。共役ポリマーは、検出方法に大きな柔軟性を提供し、その1つが蛍光性です。PANI蛍光のモニタリングにより、10-11 M(10 pM)という低い標的核酸の濃度を検出できます3。検出は迅速で、ハイブリダイゼーションから15分以内に発生し、標的分子の単一のミスマッチを区別できる場合に特異的です3。
PANIセンサーの製造は簡単です。アニリンモノマー、界面活性剤、および酸化剤の制御された添加を含む標準的な合成手順を使用して、水に十分に分散した高分子量PANIを生成できます。収率は非常に高く、未反応の酸化剤を水で洗浄することで除去できるため、それ以上のPANI増殖がなくなります。PANIとプローブの会合は混合物に自発的に発生し、穏やかなUV曝露により複雑な形成が促進されます。ハイブリダイゼーションはすぐに行うことができ、短時間のインキュベーション後にPANI蛍光の変化をアッセイします。この技術のシンプルさは、多くの研究室にとって非常にアクセスしやすいものとなっています。

<table><tbody><tr><td>アニリン&nbsp;</td><td>フィッシャーサイエンティフィック&nbsp;</td><td>A7401-500&nbsp;</td><td>ACS, 液体, 冷蔵</td></tr><tr><td>ペルオキシ二硫酸アンモニウム</td><td>フィッシャーサイエンティフィック&nbsp;</td><td>A682-500&nbsp;</td><td>ACS, 結晶性</td></tr><tr><td>ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム</td><td>ファルツ&バウアー&nbsp;</td><td>D56340&nbsp;</td><td>95%ソリッド</td></tr><tr><td>クロロホルム</td><td>フィッシャーサイエンティフィック&nbsp;</td><td>MCXの10601&nbsp;</td><td>液体</td></tr><tr><td>DNAプライマー</td><td>MWGオペロン</td><td>n/a</td><td>カスタムDNA配列 ~20&nbsp;bps</td></tr><tr><td>マイクロプレート&nbsp;</td><td>USAサイエンティフィック&nbsp;</td><td>〒1402-9800&nbsp;</td><td>96ウェル、ポリプロピレンはクロロホルムに反応しないため</td></tr><tr><td>マイクロプレート接着フィルム</td><td>USA Scientific&nbsp;</td><td>〒2920-0000&nbsp;</td><td>ウェル間の汚染、サンプルのこぼれ、蒸発を低減</td></tr><tr><td>顕微鏡カバーガラス</td><td>フィッシャーサイエンティフィック&nbsp;</td><td>12-544-D&nbsp;</td><td>UV照射カバーガラスにPANIコーティング</td></tr><tr><td>UVクロスリンカー&nbsp;</td><td>UVP&nbsp;</td><td>HL-2000&nbsp;</td><td>エネルギー:X100 &mu;J/cm2;時間:2分</td></tr><tr><td>ハイブリダイゼーションオーブン</td><td>VWR</td><td>01014705 T</td><td>温度:400&nbsp;&#176;C;15分間のロッキング付き</td></tr><tr><td>ガラス器具&nbsp;</td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td></td><td>反応用3ネック丸底フラスコ;滴下漏斗、ストッパー、コンデンサー、分離漏斗</td></tr><tr><td>顕微鏡</td><td>ライカマイクロシステムズ&nbsp;</td><td>ライカIMC S80</td><td>倍率20倍。疑似カラー536nm;ばく露86ミリ秒;1.0倍獲得。Gamma 1.6</td></tr><tr><td>マイクロプレートリーダー</td><td>分子デバイス&nbsp;</td><td>89429-536</td><td></td></tr></tbody></table>

核酸のポリアニリンベースのセンサ

A Polyaniline-based Sensor of Nucleic Acids

核酸の検出は、研究や臨床で使用される診断技術の中心にあります。これらの技術で使用される標準的なアプローチは、バイアスやアーティファクトを導入する可能性のある酵素修飾に依存しています。次世代の検出プラットフォームの重要な要素は、直接分子センシングであり、それによって増幅や標識の必要性を回避します。高度なナノマテリアルは、ラベルフリーセンサーを実現するための適切な化学的モダリティを提供する可能性があります。共役ポリマーは、生体分子と互換性のある特性を持ち、局所的な環境変化に対して高い感度を示すため、生物学的センシングに最適です。この記事では、導電性ポリマーポリアニリンを使用して核酸を検出する方法を紹介します。標的核酸に相補的な単純なDNA「プローブ」オリゴヌクレオチドがポリマーに静電的に結合し、標的分子の単一ヌクレオチドの違いを区別できるセンサーシステムを作り出します。このテクノロジーの特有で偏りのない性質を除けば、非常に費用対効果が高いです。

図2Aは、APSの添加前に、 すなわち 、重合プロセスの開始時に反応セットアップを取り込みます。ミセル形成は、ミセル界面におけるプロセス-PANI合成が起こる反応の最初のステップである。 図2Bは、5分後に乳白色の解決策を示しています。 APSの30分後、反応はやや褐色に変わり追加されます。 図2Cは、オリゴマーの形成に伴う色の変化を示している。 図2Dはと一致し、短鎖PANIの高濃度を示し、4時間後に暗褐色を示し、とても遅い反応。最後に、クロロホルム-水（ 図2E）中に分散された高分子量のPANIの暗緑色の溶液が観察できる48時間後。 図2Fは無い相分離と分離漏斗中に十分に分散、均質PANIソリューションを示しています。 <p class="jove_content" fo：キープtogether.withinページ= &quot;1&quo...

核酸は、生物学的システムを評価するための一般的な分析物ですが、酵素操作によるバイアスが懸念を引き起こす可能性があります。ここでは、ポリアニリンを用いた核酸のラベルフリー検出法について説明します。この高感度で費用対効果の高いセンサー技術は、分子間の一塩基の違いを区別することができます。

Detection of nucleic acids is at the center of diagnostic technologies used in research and the clinic. Standard approaches used in these technologies ...

この手順の全体的な目的は、ラベルフリーで核酸を検出するために使用可能な水分散ポリアニリンを合成することです。この手法は、核酸検出のための費用対効果の高い方法です。この手法を採用する研究室にとって、簡便で堅牢かつ高感度な方法となるでしょう。この手法の主な利点は、ラベルフリーであり、酵素的な操作を必要とせずにRNAやDNAを直接検出できることです。この技術は新しい診断技術への可能性を秘めており、ラベルを使用しないため、最小限の操作で患者サンプルを処理することが可能です。視覚的な実演により、このセンサーの仕組みをより分かりやすく解説します。このプラットフォームには、非常に特殊に見えますが、実際には極めて容易に実施できる高分子科学と生物学が含まれています。250 mlの丸底フラスコ内で、アニリンを60 mlのクロロホルムに完全に溶解させます。600 RPMで5分間撹拌した後、氷を用いて0〜5 °Cまで冷却します。通常、これには15〜20分かかります。次に、600 RPMで攪拌しながら、丸底フラスコ内のアニリン溶液にドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを加えます。過硫酸アンモニウムを20 mlの水に溶解させ、反応液の過熱を防ぐため、30分かけて滴下します。反応を0〜5 °Cで24時間行います。反応混合物が、15分後に乳白色に変化し、2時間後に濃褐色に、そして24時間後に最終的に濃緑色に変化することを確認してください。その後、さらに24時間かけて室温に戻します。ブフナー漏斗を用いて、PANIナトリウムドデシルベンゼンスルホナート溶液をろ過します。ろ液を分液漏斗に入れ、クロロホルム80 mlおよび水120 mlと混合します。この溶液を室温で24時間静置し、その後、分液漏斗から濃緑色のPANIを回収します。このとき、未反応のナトリウムドデシルベンゼンスルホナートおよびAPSは水相の上澄みに残ります。PANI溶液をクロロホルム水で10倍に希釈し、希釈したPANI 200 µLと6.4 µmolのプローブDNAオリゴヌクレオチドをマイクロ遠心チューブに入れ、緩やかにロッキングしながら15分間混合します。クロスリンカーを用いて、PANI DNA溶液に1200 µJ/cm²のUVを2分間照射します。UV照射量を指定された量に制限することが極めて重要です。UVへの長時間露光は、PANIとDNAの共有結合的な架橋漏出（cross-leaking）が原因と考えられ、PANIの蛍光変化を損ないます。17,000 x gで6分間遠心分離して複合体をペレット化し、リン酸緩衝生理食塩水（PBS）で洗浄します。2回目のペレット化の後、PBSで再懸濁します。100 µMの相補的DNAオリゴヌクレオチドまたは標的核酸 8 µLを、PANIプローブ複合体 200 µLに加えます。溶液混合物を40 °Cで15分間揺動し、ハイブリダイゼーションを行います。17,000 ×gで6分間遠心分離してPANI複合体をペレット化した後、PBSで洗浄し、水に再懸濁します。異なる処理を施したPANIを96ウェルマイクロプレートに加え、250 nmで励起し、270〜850 nmの範囲で放出蛍光を測定する。PANIの放出ピークは500 nm付近に観察されるはずである。ハイブリダイズした二本鎖の蛍光顕微鏡測定を行うには、PANIをホウケイ酸ガラスカバースリップにドロップコートし、40 °Cで48時間乾燥させる。乾燥させたPANIフィルム上に100 µMのプローブを8 µL添加し、UV光を2分間照射します。照射後、PBSでPANIプローブフィルムを洗浄し、40 °Cで48時間乾燥させます。標的核酸を添加し、15分間ハイブリダイゼーションを行います。これは生物学的試料または制御標的オリゴヌクレオチドである可能性があります。続いてPBSで洗浄します。500 nanometer ロングパスフィルターを用い、40倍の倍率で蛍光画像を取得します。ここでは、UV照射によって増強されたPANIとDNAプローブの静電的相互作用を示しています。標的核酸のハイブリダイゼーションによって二本鎖形成が誘発され、構造的な共形が変化することで、プローブ標的がPANI表面から解離します。この図は、溶液中および固体コーティング媒体中の両方において、プローブの不在時または存在時におけるPANIの蛍光の変化を示しています。蛍光の増加は、負に帯電したDNAからの電子フラックスにより、ポリマーの電子密度が高まることに起因します。相補的な標的オリゴヌクレオチドがハイブリダイゼーションすると、プローブが脱離し、基底蛍光が回復します。対照的に、単一のミスマッチを持つ標的オリゴヌクレオチドとのハイブリダイゼーションでは、この基底蛍光の回復は起こりません。この手法の主な新規性は、正確な相互作用のために穏やかなUVを使用しており、それが非特異的な相互作用と光相互作用の区別を実際に助けている点にあります。習得すれば、この手法は、センシング時間とコーティングの乾燥時間を除いて、最大で2時間で完了します。この手順を試行する際は、DNAは水に溶解すること、および酸性溶液が実際にPANIの電子特性を変化させることを忘れないことが重要です。このビデオを視聴することで、視聴者は水分散ポリアニリンの合成方法と、その蛍光特性を利用した核酸の検出方法について十分に理解することができます。また、プローブDNAの固定化およびハイブリダイゼーションを行い、ターゲットを検出できるようになります。モノマーを取り扱う際は、この合成が危険であることを認識し、保護メガネ、手袋、白衣などの保護具を着用し、ドラフト内で作業することが重要です。

a-polyaniline-based-sensor-of-nucleic-acids

Research

JoVE Journal

Biochemistry

生物化学

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キャピラリー配列で複数の核酸の視覚的検出

ナフィオン被覆、ポリアニリン修飾、電気化学還元したグラフェン酸化物 chemiresistive のマイクロ pH センサーの作製のためのプロトコルを報告する.この chemiresistor ベース、固体のマイクロ pH センサーの pH...

ナフィオン被覆の製造、削減グラフェン酸化物/ポリアニリン Chemiresistive 微生物発酵中にリアルタイムでモニター ph センサー

ここでは、DNA折り紙形状を誘導テンプレートとして用いて基質上に離散的で正確な無機ナノ構造を作成するプロトコルについて述べた。この方法は、透明基板(サファイア)上にプラズモニックゴールド弓形アンテナを作成することによって実証されています。...

センシング用途のための無機構造のDNA折り紙媒介基板ナノパターニング

DNAzymeベースのナノマシンは、核酸の高選択性と高感度な検出に使用できます。この記事では、フリーソフトウェアを使用した10-23コアのDNAzymeベースのナノマシンの設計に関する詳細なプロトコルと、例としてEpstein-Barrウイルスフラグメントの検出におけるそれらのアプリケーションについて説明します。...

DNAzyme 10-23 - 核酸認識用ナノマシン

学ぶポリアニリンを用いたラベルフリー核酸検出法。RNAやDNAを酵素処理なしで直接検出し、一塩基差異も識別可能。低コストで簡便なこの手法は、診断技術の新たな応用に向けた有望なツールとなる。

核酸のポリアニリンベースのセンサ

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