Acinetobacter baumannii의 빠르고 정확한 검출을 촉진하기 위해 A. baumannii 감염을 식별하기 위해 LbaCas12a 엔도뉴클레아제와 함께 Recombinase Polymerase Amplification(RPA)을 사용하는 프로토콜을 제시합니다.
방법 논문
Acinetobacter baumannii의 빠르고 정확한 검출을 촉진하기 위해 A. baumannii 감염을 식별하기 위해 LbaCas12a 엔도뉴클레아제와 함께 Recombinase Polymerase Amplification(RPA)을 사용하는 프로토콜을 제시합니다.
그람 음성 박테리아인 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii)는 높은 사망률과 함께 심각한 감염을 일으키는 것으로 악명이 높습니다. A. baumannii의 빠르고 정확한 검출은 신속한 치료, 효과적인 감염 통제 및 항생제 내성 억제에 매우 중요합니다. 그러나 A. baumannii를 현장에서 빠르고 쉽게 검출할 수 있는 적절한 방법은 없습니다. DNA Endonuclease Targeted CRISPR Trans Reporter(DETECTR) 시스템은 Cas12a의 표적별 인식 기능과 Recombinase Polymerase Amplification(RPA)의 등온 증폭 효율을 통합하여 A. baumannii 검출에 대한 빠르고 정확하며 민감한 접근 방식을 제공합니다. 이 프로토콜은 LbaCas12a 엔도뉴클레아제와 결합된 RPA를 사용하여 A. baumannii를 검출하는 방법을 자세히 설명합니다. 이 문서에서는 DNA 추출, 특정 DNA 염기서열 선택, 프라이머 및 CRISPR RNA(crRNA) 설계, 양성 재조합 플라스미드 구축, Cas12a-RPA 분석 설정, RPA 증폭 시스템 최적화, Real-Time PCR 기기와 같은 형광 검출 도구를 사용한 RPA-CRISPR/Cas12a 분석 시각화 단계에 대해 설명합니다. 민감도 및 특이도 평가에 대한 평가.
임상 미생물학에서 아시네토박터 바우마니이 감염을 검출하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 이 그람 음성 박테리아는 특히 면역이 저하된 환자에서 높은 사망률에도 불구하고 심각한 임상 증상을 동반한 감염을 유발할 수 있습니다1. 병원체 감염에 대한 기존의 배양 기반 검출 방법은 시간이 많이 걸리고 민감도가 부족하여 항생제 치료를 지연시키고 환자의 결과를 손상시킬 수 있습니다. A. baumannii의 신속하고 정확한 식별은 효과적인 치료와 발병 통제에 매우 중요합니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 핵산 증폭을 사용하는 분자 기술이 연구되었습니다. 그러나 이러한 접근 방식은 종종 정교한 열 순환 장비가 필요하며 잘 훈련된 기술자와 잘 정립된 실험실에 의해 제한될 수 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 등온 증폭 방법 2,3,4를 개발하는 데 연구가 점점 더 집중되고 있습니다.
재조합효소 중합효소 증폭(RPA)은 Piepenburg et al 5 에 의해 확립된 방법으로, 중합효소 연쇄 반응(PCR)과 유사하지만 온도 사이클링이 필요 없는 DNA를 증폭하는 데 사용됩니다. 이 방법은 50mM Tris(pH 7.5), 100mM 초산칼륨, 14mM 마그네슘 아세테이트, 2mM DTT, 5% PEG20000(고분자량 폴리에틸렌 글리콜), 200μM dNTP, 3mM ATP, 50mM 포스포크레아틴, 100μg/mL 크레아틴 키나아제, 120μg/mL UvsX, 30μg/mL UvsY, 900μg/mL Gp32, 30μg/mL Bsu LF, 450 nM 프라이머 및 DNA 템플릿. 증폭 과정은 3mM ATP와 5%의 존재 하에서 프라이머에 결합하는 재조합효소 단백질 UvsX PEG20000 재조합효소-프라이머 복합체를 형성하는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 이 복합체는 이중 가닥 DNA의 상동 서열과 프라이머의 결합을 촉진합니다.
UvsY의 도움으로 재조합효소 UvsX는 프라이머와 템플릿 가닥 간의 교환을 촉진하여 표적 DNA의 한 가닥을 변위시킵니다. Gp32는 단일 가닥 DNA 구조를 유지하는 데 도움이 됩니다. 마지막으로, 재조합효소가 해리되고 DNA 가닥을 치환할 수 있는 DNA 중합효소(Bsu LF)가 프라이머의 3' 말단에 결합하여 디옥시리보뉴클레오시드 트리포스페이트(dNTP)가 있는 상태에서 프라이머를 연장합니다. 이 프로세스는 주기적으로 반복되어 기하급수적 증폭을 달성합니다. 모든 증폭 과정은 20-40분 이내에 완료할 수 있으며 37°C에서 42°C 사이의 비교적 일정한 온도에서 완료할 수 있습니다. 이 온도 범위는 생리학적 온도와 거의 동일하므로 RPA가 미니멀한 환경에서 수행될 수 있으므로 RPA는 DNA 검출 및 분석을 위한 다재다능하고 효율적인 도구입니다.
CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) 및 CRISPR-Cas(CRISPR-Cas) 시스템은 Class I 및 Class II 시스템을 포함하는 박테리아 및 고세균에서 적응 면역 메커니즘으로 기능합니다. 클래스 II에는 Cas12 (a, b, f), Cas13 (a, b) 및 Cas14와 같은 단백질이 포함되며, 이는 CRISPR RNA (crRNA) 6,7,8에 의해 유도되는 표적 DNA 또는 RNA를 식별하고 절단합니다. LbaCas12a(또는 Cpf1)는 crRNA 유도 DNA 엔도뉴클레아제입니다. crRNA는 CRISPR-Cas 시스템 내에서 안내 RNA 역할을 하며, 여기서 Cas 단백질과 복합체를 이룹니다. 이는 spacer region을 활용하여 표적 DNA와 쌍을 이루어 단백질 복합체를 표적 염기서열로 효과적으로 조종합니다. 서열 5'-UAAUUUCUACUAAGUGUAGAU-3'은 모든 LbaCas12a crRNA의 상수 요소인 보존된 crRNA 반복으로 작용합니다. 이 반복 다음에는 의도된 DNA 표적에 따라 다른 표적 특이적 세그먼트가 있습니다. 이 표적 서열의 길이는 18 - 24개의 뉴클레오티드입니다.
PAM(Protospacer-Adjacent Motif) 서열(TTTV, 여기서 V는 A, C 또는 G일 수 있음)은 DNA 표적의 비상보적 가닥의 5' 끝에 위치합니다. Cas12a는 PAM 염기서열에서 표적 이중 가닥 DNA를 절단합니다. 그 후, 활성화된 Cas 단백질은 단일 가닥 DNA(ssDNA)의 비특이적 트랜스 절단을 실행합니다.9,10,11,12. 따라서 형광단과 소광체로 표지된 ssDNA는 절단을 거쳐 측부 절단 후 형광 신호가 방출됩니다 8,13. 형광 강도는 정확한 핵산 검출을 위해 형광 판독기를 사용하여 정량화할 수 있습니다14. 특히, Cas12a는 PAM(Protospacer-Adjacent Motif)의 인식에 따라 표적 염기서열의 결합 및 절단을 통해 DNA 분석에 광범위하게 활용되는 반면, Cas13a는 이러한 요구 사항과 독립적으로 작동합니다.
CRISPR-Cas 시스템 15,16,17은 단일 반응 18,19,20,21 내에서 절단을 용이하게 합니다. 위의 두 가지를 결합하면 핵산 검출을 위한 A. baumannii-DETECTR(LbaCas12a-Enabled Detection of Targeted A. baumannii)로 알려진 강력한 도구를 만들 수 있습니다 22,23,24. 이 프로토콜은 A. baumannii의 16s rDNA 유전자 내에서 crRNA 유도 염기서열을 특이적으로 표적화하고 절단하기 위해 Cas12a의 DNase 활성과 함께 RPA를 사용하여 병원체를 민감하고 정밀하게 검출할 수 있음을 보여줍니다.
A. baumannii-DETECTR 방법은 기존 검출 방법에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다25,26. 첫째, RPA의 등온 특성은 열 순환기 독립적인 증폭 메커니즘을 통해 운영 절차를 간소화하고 비용을 절감합니다5. 둘째, Cas12a 엔도뉴클레아제는 crRNA 매개 표적화 및 Watson-Crick 염기 쌍을 통해 분석의 특이성을 증가시킵니다7. 마지막으로, A. baumannii-DETECTR의 원-튜브 방법을 사용하면 시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 앰플리콘 오염 위험을 크게 줄일 수 있습니다19.
이 프로토콜은 DNA 추출 추출, 표적 DNA 염기서열 선택, 프라이머 및 crRNA 설계, 양성 재조합 플라스미드 구축, Cas12a-RPA 분석 설정 수립, RPA 증폭 최적화 최적화, Real-time PCR 기계와 같은 형광 검출 기기 도구를 사용하여 결과 시각화 시각화 단계를 간략하게 설명합니다. 민감도 및 특이도 평가로 완료됩니다.
A. baumannii-DETECTR 방법은 시기적절하고 효과적인 치료, 강력한 감염 통제 및 항생제 내성 확산 억제를 촉진하여 환자 결과를 향상시킬 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 이 프로토콜은 Cas12a-RPA 기술 구현을 위한 포괄적인 지침 역할을 하여 다양한 의료 환경에서 유용성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 일관되고 신뢰할 수 있는 결과를 보장하기 위해 특정 실험실 조건과 다양한 샘플에 따라 모든 단계를 최적화해야 한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
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1. A. baumannii -DETECTR의 건설
참고: A. baumannii-DETECTR의 구축은 primer 및 crRNA 설계, positive recombinant plasmid 구축, 반응 용액 준비, RPA에 의한 등온 DNA 증폭 및 RPA-CRISPR/Cas12a 분석의 시각화를 포함하는 4단계 프로세스입니다. DETECTR 분석의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.
2. RPA-CRISPR/Cas12a 기반 검출 플랫폼의 특이도 평가
참고: A. baumannii-DETECTR의 특이성을 테스트하기 위해 A. baumannii, Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Rickettsia mooseri, Enterobacter, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella, Chlamydia psittaci, Legionella, Cockerella burnetii, Serratia 및 인간 샘플의 핵산을 DETECTR 테스트를 실시했습니다.
3. RPA-CRISPR/Cas12a 기반 검출 플랫폼의 민감도 평가
4. 샘플이 자외선 및 LFS 검출 하에 있는 동안의 준비
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본 연구에서는 RPA의 등온 증폭 효율과 CRISPR-Cas12a 시스템을 통합하여 A. baumannii의 빠르고 신뢰할 수 있는 현장 식별을 가능하게 하는 새로운 휴대용 진단 플랫폼인 A. baumannii-DETECTR를 소개합니다. DETECTR 분석의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.
12쌍의 프라이머는 프라이머 설계 원칙을 기반으로 설계 도구를 사용하여 설계되었습니다. 4개의 순방향 프라이머(F0-F3) 및 3개의 역방향 프라이머(R1-R3)를 얻어 12쌍의 프라이머(F0R1, F0R2, F0R3, F1R1, F1R2, F1R3, F2R1, F2R2, F2R3, F3R1, F3R2, F3R3)를 얻었습니다. RPA 증폭 후 39°C에서 20분 동안 RPA PCR 산물...
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A. baumannii 감염에 대한 전통적인 진단법은 여러 가지 제약이 있어 현장 검사에 대한 접근성과 실현 가능성을 떨어뜨린다27. 예를 들어, PCR은 감도와 특이도가 우수하지만 전문가가 작동해야 하는 특수 열 사이클링 장비와 복잡한 워크플로우가 필요합니다. 여기에 제시된 새로운 방법은 RPA 및 CRISPR-LbaCas12a 게놈 편집을 A. baumannii-DETECTR 분석으로 알려진 재조합과 결합하여 효율적인 유전자 조작을 가능하게 합니다. Acinetobacter baumannii 감염 및 다른 박테리아 병원체의 진단에 대한 빠르고 민감하며 특이적인 검출 방법을 제공합니다. 워크플로우는 그림 1에 나와 있습니다.
본 연구법은 감염을 진단하고 관리하는 데 특히 유리...
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저자들은 자신들이 서로 상충하는 이해관계가 없다고 선언한다.
이 작업은 중국 길림성 과학기술발전계획사업(20240305027YY)과 길림성 재무국(JLSWSRCZX2023-55, JLSWSRCZX2021-041)의 지원을 받았다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| -20 ° C 냉동고 | 하이얼 | HYCD-290 | 중국 |
| 아가로스 기본 | BioFroxx | 1110GR100 | 중국 |
| 모든 올리고뉴클레오티드 및 crRNA는 | www.comatebio.com | ||
| Cas12a 절단 기질-ssDNA - 형광형 | EZassay Biotech. Co.에 | DNA-FAM-BHQ | 중국 |
| Cas12a 절단 기판 - ssDNA - 시험지 유형 | EZassay Biotech. Co. Ltd. | DNA-FAM-BIO | 중국 |
| 전기영동 장치 | BIO-RAD | POWER | 미국 |
| 광 정량 PCR 기기 | BIO-RAD | CFX Connect | USA |
| 겔 이미징 시스템 | BIO-RAD | Gel Doc 2000 | 미국 |
| https://www.ezassay.com/primer | |||
| https://www.ncbi.nlm.nih.gov/tools/primer-blast | |||
| 측면 흐름 종이 스트립(비오틴/FAM) | EZassay Biotech. Co. Ltd. | HD-FMBO | 중국 |
| LbaCas12a(Cpf1) 강화 단백질 | EZassay Biotech. Co. Ltd. | CAS-12E-001 | 중국 |
| LED 트랜스일루미네이터 | LABGIC | BL-20 | 중국 |
| 마그네슘 아세테이트, MgOAc | TwistDx | TABAS03KIT | 영국 |
| 미세 원심분리기 | allsheng | Mini-6k | 중국 |
| PCR 스트립 튜브 | PCR 스트립 튜브 | PST-0208-FT-C | 중국 |
| TGrade 건식 목욕 인큐베이터 | Tiangen 생화학 기술 | OSE-DB-01 | 중국 |
| Tianamp 박테리아 DNA 키트 | Tiangen 생화학 기술 | DP302-02 | 중국 |
| TIANamp 박테리아 DNA 키트 | 티안겐 바이오텍 (베이징) CO.; 주식 회사. | DP302 | 중국 |
| 트랜스스타트 FastPfu DNA 중합효소 | 트랜스젠 바이오텍(주 | AP221 | 중국 |
| TwistAmp 기본 키트 | TwistDX | TABAS03KIT | 영국 |
| 범용 DNA 정제 키트 | Tiangen 생화학 기술 | DP214-03 | 중국 |
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