Name: 핵산, 단백질과 작은 분자의 Reagentless 감지를위한 전기 -의 DNA Biosensors의 제작 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-06-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 15 s
Description: 학습하세요 전기화학적 DNA 바이오센서 제작 방법을 통해 혈액이나 혈청 등 복잡한 생물학적 샘플에서 핵산, 단백질, 소분자를 시약 없이 정량적으로 감지하는 기술을 익히세요.

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이 작품은 대상 과제의 탐험의 이니셔티브를 통해, 그리고 보조금 GM062958 - 01과 2R01EB002046 통해 NIH에 의해 빌 앤드 멜린다 게이츠 재단의 그랜트 (OPP1015402)에 의해 재정 지원되었다. 이 작품은 계약 DE - AC52 - 07NA27344 아래의 로렌스 리버 모어 국립 연구소에 의해 에너지의 미 교육부의 후원 아래 부분에 수행되었다.

1. 무대 설정 <ol><li> 이러한 Biosearch 기술 (노바토, CA) 또는 미들랜드 공인 (미들랜드, TX)와 같은 사용자 정의 oligonucleotide 합성 회사 관련, 화학적으로 바뀌었 프로브 DNA를 구입합니다. 프로브는 3' - 끝에 C6 thiol의 추가 및 5' - 끝에 산화 환원 활성 메틸렌 블루에 의해 합성하는 동안 수정됩니다. </li><li> 인산염의 프로브 DNA를 디졸브 200 μm의의 농도 호수 산도 7.4 버퍼와 분광 광도계를 사용하여 260 nm의 흡광도에서 자사를 측정하여 농도를 확인합니다. DNA 프로브의 메틸렌 블루 잔기로 인해 솔루션이 보이는 파란색 색조가 있어야합니다. </li><li> 갓 증류수, 탈이온수 (DI - 물)에 트리스 (2 - carboxyethyl) phosphine TCEP의 10 MM 솔루션 1 ML을 준비합니다. 4 ° C.에 어둠에 저장하면 경험에서 이러한 TCEP 솔루션은 일주일 동안 신선한 유지 </li><li> 프로브 DNA 용액에 존재 수있는 이황화 채권을 줄이기 위해 TCEP 솔루션 2 μL와 프로브 DNA 주식 솔루션 1 μL를 결합하고 피펫과 함께 부드럽게 섞는다. 어두운, 냉장 컨​​테이너 한 시간 동안 혼합물을 품어. TCEP가 reversibly 메틸렌 블루를 감소 등 초기 푸른 솔루션은 분명이 될 것입니다. 솔루션 취소가되지 않는 경우, 상온에서, 아마도, 새로운 TCEP 솔루션을 사용하여 절차를 반복하거나. </li><li> 일시간 후 버퍼 1 ML로 감소 DNA 프로브 솔루션을 희석,이 200nM의 농도로 희석합니다. 나중에,이 희석된 프로브 솔루션을 200 μL 부분에 골드 디스크 전극 세트를 품어 것입니다. </li><li> 갓 인산염에 2mM mercaptohexanol 중 최소한 2 ML을 준비하는 것은 살린 버퍼. </li></ol> 2. 센서 준비 <ol><li> 잘 연마 헝겊에 물을 0.05 미크론 알루미나 분말을 결합합니다. 전극 약 3 분 여덟 패턴을 젖은 천으로에 단단히 금 표면을 누르면, 그리고 그림을 이동하여 골드 디스크 전극 (CH 인 스트 루먼트, 오스틴, TX)의 집합을 폴란드어. </li><li> DI - 물로 광택 전극을 씻어 같은 가득한 Eppendorf 튜브에 그들을 담가. 잔여 알루미나 분말을 제거하는 5 분 동안 Sonicate. </li><li> 0.5 M 황산 용액에 전극을 장소, 플래티넘 카운터와 은색 / 실버 염화물 참조 전극과 함께 potentiostat로 첨부하고, 산화 감소 및 electrochemically 그들의 표면을 청소 voltammograms 일련의 실행합니다. 이것은 0.1 M 황산에 0.01 M KCl의 솔루션에 두 번째 전기 청소를 수행합니다 다음. 이러한 청소 절차의 세밀한 부분은 우리의 자연 프로토콜 용지 1,이 동영상에 대한 보완에서 찾을 수 있습니다. </li><li> 선반 2 ML Eppendorf 튜브의 집합을 정렬하고 프로브 DNA 용액 200 μL와 각각 입력합니다. 이 솔루션의 프로브 DNA의 농도는 어떤 프로브 DNAs 팩이 센서 표면 밀도를 정의합니다. 센서의 성능은 한개의 센서 아키텍처에서 다음 각기 최적의 밀도와 프로브 밀도에 강하게 의존한다. 이 단계에서 사용되는 프로브 농도 따라서 센서 2 개 중 각각의 새로운 유형의 최적화해야합니다. 우리가 현재까지 조사가 프로브 사용하지 않는 아키텍처의 경우, 프로브 DNA의 농도 우리는 전형적인 가치가되는 200 nm의와, 15 NM에서 2 μm의이 단계 범위에서 사용합니다. </li><li> DI - 물로 골드 디스크 전극을 씻어 후 한 시간 만이라도 Eppendorf 튜브에 해당 프로브 DNA 솔루션에 젖어. 이 시점에서, 프로브 DNA가 thiol - 온 - 금 자체 조립 monolayer의 형성을 통해 금 전극 표면에 연결합니다. </li><li> DI - 물로 전극을 린스, Eppendorf 튜브에 2mM mercaptohexanol에 젖어 및 자기 조립 monolayer의 완전한 형성을 보장하기 위해 실온에서 하룻밤 3 시간 동안 어두운 장소에 저장합니다. 이 단계는 안정 monolayer의 형성을 보장하기 위해 혼합 monolayer의 일부로 mercaptohexanol이 통합되어 있습니다. 증발을 방지하기 위해 당신은 parafilm과 Eppendorf 튜브에 전극을 밀봉하는 것이 좋습니다. 센서가 필요한 경우 며칠이 솔루션에 저장할 수 있습니다. </li><li> 당신이 센서를 사용 준비가되면, DI - 물로 그것을 씻어 후 적어도 10 분 동안 버퍼에 그것을 만끽해보세요. 항체 검출하기위한 센서는 또한 버퍼와 린스 매우 빠르고 다음에 사용하기 전에 관련 인식 스트랜드의 100 nm의 솔루션에 열중해야합니다. </li></ol> 3. 센서 테스트, DNA 탐지 <ol><li> 이 프로토콜에서 17 뉴클레오 티드 프로브 가닥은 금 전극에 부착된입니다. 그것은 3' - 끝에 메틸렌 블루 산화 환원 기자 (그림 1)을하고 있습니다. 프로브 분자가 캡처 가닥과 hybridizes 경우, 센서 회로를 통해 전류가 줄어 듭니다. </li><li> DI - 물과 신선한 센서를 씻어 빈에 젖어샘플은 생산 배경 신호를 기록하기 위해 목표를 부족. potentiostat의 작업 전극 리드에 센서를 부착합니다. 플래티넘 카운터 전극과 솔루션에 은색 / 실버 염화물 참조 전극을 배치합니다. </li><li> 0에서 25 MV의 진폭과 1mV의 스텝 크기 -0.6 V로 사각형 웨이브 측정을 실행합니다. 최적의 사각 파의 주파수는 프로브 아키텍처 2,3의 세부 사항에 따라 달라집니다, 프로브 아키텍처에 우리는 600 Hz로 범위 60 일반적으로하는 최적의 가치를 고용했습니다. 당신은 약 -0.35 V, 메틸렌 블루의 산화 환원 전위 (최대 잠재력이 테스트 솔루션의 정확한 산도에 따라 약간 변화 수)에 둥근 피크가 나타납니다. 이 피크 전류를 기준에서 높이 메틸렌 블루와 골드 전극 (Figure2) 사이의 효율성 전자 전달에 비례합니다. 이 배경 측정을 저장합니다. </li><li> 관심의 대상 DNA 분자를 포함하는 솔루션에 전극을 이동 평형 (5-120 분 target4 5의 크기, 구조와 농도에 따라)와 두 번째 사각형 파도 voltammagram를 수집합니다. -0.35 V에서 피크의 높이가 초기, 배경 측정에서 변경됩니다. 이러한 변화의 크기는 analyte의 농도에 관련되어 있습니다. 그것은이 센서의 주요 출력 데이터 (그림 3)입니다. </li><li> 상대 신호의 변화, 비율 감소 또는 배경 피크에 상대적으로 신호 증가를 측정하면 전극의 표면적 변화에 대해이 해결로 종종 현재의 절대 변화를 측정하는 것보다 더 재현할 수 있습니다. 이렇게하려면 정상 현재와 배경 피크 전류 사이의 차이는 현재의 배경 피크로 나누어집니다. </li></ol> 4. 센서 리제 <ol><li> 당신의 측정이 완료되면, 30 S.위한 DI - 물의 꾸준한로 30 s에 대한 DI - 물이 채워진 용기에 센서를 이동하거나, 애송이 신선한 탈이온수이 두 번 더 반복합니다. 참고 : 일부 analytes이 방법에 강한되며 이들 6 M 구아니딘 염산염 또는 70 % 에탄올에 rinsing 공격을 시도하십시오. </li><li> 측정이 이루어집니다 솔루션에 다시 센서를 넣어. 분 내에 정상 높이가 원래 값으로 반환해야한다. 그것은이 센서는 종종 자신의 첫 번째 테스트와 재생주기 동안 약간 큰 신호 변경하고 이후 6주기 동안 높은 일관된 결과를 전시 협조할 것입니다. </li></ol> 5. 센서 테스트, 항체 탐지 <ol><li> 이 프로토콜에서는,이 센서에 사용되는 메틸렌 블루와 thiol - 수정된 DNA 프로브는 "앵커"스트랜드 7 역할을합니다. 이것은 금 전극에 직접 연결되어 있습니다. 이것은 다음 관련 항원 (그림 4) covalently 복합되어 두 번째, "인식"의 DNA 가닥과 함께 hybridized입니다. 우리는 필요한 DNA - 항원 chimeras의 합성에 대한 이러한 Biosearch 기술 및 Panagene 같은 상업 합성 가옥과 행운을 있었다. 하이브 리다이 제이션 단계는 1 시간 동안 PBS에서 관련 인식의 DNA 가닥의 100 nm의를 포함 Eppendorf 튜브에 미리 가공 센서를 전송하여 수행됩니다. </li><li> 관련 빈 솔루션에 센서를 놓습니다. potentiostat의 작업 전극 리드에 첨부 및 솔루션으로 플래티넘 카운터 전극과 은색 / 실버 염화물 참조 전극을 배치. </li><li> 위에서 설명한대로 평방 웨이브 voltammetry를 수행합니다. 특정 프로브 아키텍처를 위해 우리는 최적의 사각형 웨이브 주파수 60 Hz에서입니다 여기에 고용했습니다. 당신은 -0.35 주위에 둥근 피크를 볼 V.이 배경 측정을 저장해야합니다. </li><li> 대상 analyte를 포함하는 솔루션에 전극을 전송, 5 60 분에 대한 부화하고, 두 번째 사각형 파도 voltammagram를 수집합니다. 대상 항체가 존재하는 경우 -0.35 V에서 피크가 줄어 듭니다. 이러한 변화의 크기는 항체 농도와 관련되어 있습니다. </li></ol> 6. 센서 테스트, 소형 분자 탐지 <ol><li> 이 경우 센서 표면에 프로브 분자는 (그 대상 analyte 8,9에 바인딩시 (주름)의 구조를 변경하는 특정 분자 analyte를 바인딩하는 체외로 선정되었습니다 DNA 또는 RNA 분자 aptamer입니다 그림 5). 여기서 우리는 Stojanovic 10,11 연구실에서 개발한 코카인 - 구속력의 DNA aptamer를 사용합니다. </li><li> DI - 물과 신선한 센서를 씻어하고 생산 배경 신호를 기록하기 위해 목표를 부족한 빈 샘플에 젖어. potentiostat의 작업 전극 리드에 센서를 부착합니다. 플래티넘 카운터 및 솔루션에 은색 / 실버 염화물 참조를 놓습니다. </li><li> 위에서 설명한대로 평방 웨이브 voltammetry를 수행합니다. 우리가 여기에 사용한 특정 프로브 아키텍처를위한 최적의 광장 웨이브 주파수 (200Hz입니다그러나 60 Hz에서도) 작동합니다. 당신은 -0.35 주위에 둥근 피크를 볼 V.이 배경 측정을 저장해야합니다. </li><li> 대상 analyte를 포함하는 솔루션에 전극을 전송, ~ 5 분 부화하고, 두 번째 사각형 파도 voltammagram를 수집합니다. -0.35 V에서 피크의 높이가 변경됩니다. 이러한 변화의 크기는 대상 analyte의 농도에 관련되어 있습니다. 당신이 마약 샘플, procaine를 얻을 수 없다면, 관계가없는 어떤의 사용은 대신으로 사용할 수 있습니다. </li></ol> 7. 대표 결과 : 첫 번째 아키텍처를 사용하여 DNA를 감지하는 데 사용하면 신호는 적어도 60 % 감소해야 할 때 200 nm의 대상에서 equilibrated. 탈이온수 세 짧은 rinses 후, 그 신호가 원래 값으로 (0.1-5 % 이내) 매우 가까운 반환해야합니다. 항체 검출 센서은 40 80 % 신호 감소를 받아야한다. 코카인의 검출을위한 Aptamer 기반 센서가 그들이 작동되는 빈도 및 표면 범위에 따라 2백%까지 신호 증가를 나타냅니다. 코카인 센서 들어, 낮은 표면 범위는 최고 3. <img src="/files/ftp_upload/2922/2922fig1.jpg" alt="그림 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 1"> 그림 1. 전기의 DNA 바이오 센서와 DNA의 탐지. <img src="/files/ftp_upload/2922/2922fig2.jpg" alt="그림 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 2"> 광장 파도 voltammetry 동안 E - DNA의 바이오 센서에 의해 생산되는 신호를 보여주는 그림 2. 스크린 샷. <img src="/files/ftp_upload/2922/2922fig3.jpg" alt="그림 3" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 3"> analyte와 하이브리드화 전후, 스퀘어 웨이브 voltammetry 동안 E - DNA의 바이오 센서에 의해 생산되는 신호를 보여주는 그림 3. 스크린샷. <img src="/files/ftp_upload/2922/2922fig4.jpg" alt="그림 4" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 4"> 그림 4. 비계의 바이오 센서와 항체의 탐지. <img src="/files/ftp_upload/2922/2922fig5.jpg" alt="그림 5" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 5"> 그림 5. 전기 aptamer의 바이오 센서와 코카인이나 procaine의 감지. <table border="1"><tbody><tr><td> 사용자 Oligo </td><td> 순서 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td> 선형 프로브 DNA (LP17) </td><td> 5' - HS - (CH2) 6 - TGGATCGGCGTTTTATT - (CH2) 7 - NH - MB - 3 ' </td><td> HPLC 정제는 SS와 함께 주문할 수 있습니다 </td></tr><tr><td> 대상 Analyte의 DNA </td><td> AATAAAACGCCGATCCA </td><td> 수정되지 않은 </td></tr><tr><td> 인정 스트랜드 </td><td> 5' - 항원 TEG - CAGTGGCGTTTTATTCTTGTTACTG - 3 ' </td><td></td></tr><tr><td> 스캐폴드 앵커 </td><td> 5' - HS - (CH 2) 6 - GCAGTAACAAGAATAAAACGC CACTGC - (CH 2) 7 - MB </td><td> HPLC 정제는 SS와 함께 주문할 수 있습니다 </td></tr><tr><td> A4 코카인 Aptamer </td><td> 5' - HS - AGACAAGGAAAATCCTTCAATGAAGTGGGTCG - MethyleneBlue - 3 ' </td><td> HPLC 정제는 SS와 함께 주문할 수 있습니다 </td></tr></tbody></table> 표 1. 프로브 및 대상의 DNA 시퀀스.

<ol><li>Xiao, Y., Lai, R. Y., Plaxco, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+electrode-immobilized%2C+redox-modified+oligonucleotides+for+electrochemical+DNA+and+aptamer-based+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Protocols%22%5BJournal%5D)">Preparation of electrode-immobilized, redox-modified oligonucleotides for electrochemical DNA and aptamer-based sensing.</a> Nat. Protocols. 2, 2875-2880 (2007).</li>
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<li>Swensen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous%2C+Real-Time+Monitoring+of+Cocaine+in+Undiluted+Blood+Serum+via+a+Microfluidic%2C+Electrochemical+Aptamer-Based+Sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Continuous, Real-Time Monitoring of Cocaine in Undiluted Blood Serum via a Microfluidic, Electrochemical Aptamer-Based Sensor.</a> Journal of the American Chemical Society. 131, 4262-4266 (2009).</li>
</ol>

중요 사항은 전극이 제대로 청소되지 않는 한 위에서 설명한 실험 중 누구도 제대로 작동하지 않습니다이다. 다음은 전기 청소 절차에 대한 안내입니다. CH 인스 트루먼 트의 potentiostats 작업을하면, 우리는 세 가지 매크로 프로그램의 집합을 사용하여 이러한 청소 단계를 실행합니다. 차 제로 (E - 깨끗한 O) 0.5MH 2 SO 4에 전극을 담가와 potentiostat의 작업 전극에 연결합니다. 또한 자세 / AgCl 기준 및 플래티넘 카운터 전극을 부착하고 몰두. 다음 산화 단계 (5 S 2 V)와 감소 단계 (10 s에 대한 0.35 V)로 시작합니다. 페이즈 원 (E - 깨끗한 1) 0.35-1.5 V (스캔 속도에서 4 스캔 다음 20 V / S 4의 스캔 속도로 스캔과 0.01 V의 샘플 간격에서 같은 산성 조건 (0.5MH 2 SO 4) 아래의 산화 및 환원 검사를 개시 0.1 V / s와 0.01 V의 샘플 간격). 페이즈 투 (E - 깨끗한 2) 네 가지 잠재적인 범위 (모든 0.1 V S 1 스캔 속도와 0.01 V의 샘플 간격 10 세그먼트에 대한 수행을 통해 산성 조건 (0.01 M KCl/0.1 MH 2 SO 4) 아래의 전기 산화와 환원 스캔의 다른 세트를 실시 ) : 0.2에서 0.75 V로 (I) 잠재적인 범위, 0.2에서 1.0 V로 (2) 잠재적인 범위, 0.2에서 1.25 V로 (3) 잠재적인 범위, 0.2에서 1.5 (4) 잠재적인 범위 V. 금 전극의 많은 종류의 이러한 실험을 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 여기에 사용된 것과 같은 골드 디스크 전극 이외에도, 우리는 microfabricated 금 표면, 골드 와이어, 및 인쇄 회로 기판에 금을 성공을 있었다. 이 문서에서 설명하는 센서와 함께 다른 많은 전기의 DNA 바이오 센서 구조가보고되었습니다. 이것은 pseudoknot 12 센서, 트리플 좌초 13, 샌드위치 14, 슈퍼 샌드위치 15, 또는 트리플 16 아키텍처를 포함하고 있습니다. 앞으로 우리는 이러한 센서는 의료 의료 진단 시점에 사용될 것으로 기대합니다. 그들은 성공적으로 여러 microfluidic 장치 17,18 통합, 광학 analyte 검출 시스템에 비해 많은 장점을 제공하고 있습니다. 특히,이 센서는 광학 밀도와 높은 자동 형광 샘플, 흐린에서 기능하실 수 있습니다.

<table border="1"><tbody><tr><th> 시약의 이름 </th><th> 회사 </th><th> 카탈로그 번호 </th><th> 댓글 (옵션) </th></tr><tr><td> 골드 디스크 전극 </td><td> CH 인 스트 루먼트 </td><td> CHI101 </td><td> 다시 사용할 수 있습니다 </td></tr><tr><td> 합성 프로브 DNA </td><td> Biosearch 기술 </td><td> 사용자 정의 </td><td></td></tr><tr><td> 합성 타겟 DNA </td><td> 시그마 Genosys </td><td> 사용자 정의 </td><td></td></tr><tr><td> Mercaptohexanol </td><td> 시그마 알드리치 </td><td> 725226 - 1G </td><td> 시원하고 어두운 장소에 저장 </td></tr><tr><td> 플래티넘 전극 </td><td> BASi </td><td> MW - 1032 </td><td> 다시 사용할 수 있습니다 </td></tr><tr><td> AG / AgCl 참조 </td><td> BASi </td><td> MF - 2052 </td><td> 다시 사용할 수 있습니다 </td></tr><tr><td> 천을 연마 </td><td> 뷸러 </td><td> 40-7212 </td><td></td></tr><tr><td> 알루미나 폴란드어 </td><td> 뷸러 </td><td> 40-6325-016 </td><td></td></tr><tr><td> 인산은 생리 버퍼, pH를 7.4 버퍼 </td><td> 시그마 알드리치 </td><td> P7059 - 1L </td><td></td></tr><tr><td> CH 악기 605A </td><td> CH 인 스트 루먼트 </td><td> 605A </td><td> 모든 potentiostat를 사용하여 </td></tr><tr><td> 신생아 카프 세럼 </td><td> 시그마 알드리치 </td><td> N4637 - 500ML </td><td> 냉동 저장 </td></tr><tr><td> NanoDrop </td><td> 피셔 사이 언티픽 </td><td> ND - 2000 </td><td> 모든 UV - 비스를 사용하여 </td></tr><tr><td> PCR 믹스 </td><td> 바이오 래드 </td><td> 170-8862 </td><td> 냉동 저장 </td></tr><tr><td> 코카인 </td><td> 시그마 알드리치 </td><td> C5776 </td><td> DEA 라이센스가 필요합니다 </td></tr><tr><td> Procaine </td><td> 시그마 알드리치 </td><td> P9879 </td><td> 코카인에 대한 대체 </td></tr><tr><td> 안티 플라그 항체 </td><td> 시그마 알드리치 </td><td> F1804 - 1mg </td><td></td></tr></tbody></table>

핵산, 단백질과 작은 분자의 reagentless 감지를위한 전기 -의 dna biosensors의 제작

Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules

의약품 현재 연습이기 때문에, 의사는 테스트를 위해 중앙 실험실 표본을 보내 따라서 결과를받을 수 시간 또는 일 기다려야합니다. 많은 환자가 더 빠른, 머리맡 검사에 의해 제공됩니다. 이를 위해 우리 실험실과 다른 핵산 (DNA, RNA), 단백질 (항체 포함) 및 직접 처리되지 않은 임상 및 환경 시료의 작은 분자의 analytes의 양적, reagentless, 전기 감지를 지원하는 다재 다능한, reagentless 바이오 센서 플랫폼을 개발했습니다. 이 비디오에서는, 우리는이 &quot;E - DNA&quot;수업 시간에 여러 biosensors의 준비와 사용을 보여줍니다. 특히, 우리는 조작 및 중합 효소의 연쇄 반응 혼합물, HIV - 특정 항체와 마약 코카인의 목표 DNA 시퀀스의 감지를위한 센서를 보여줍니다. 준비 절차는 -에 손을 하룻밤 배양 뒤에 노력의 단지 세 시간이 필요하고, 그들의 사용은 분이 필요합니다.

&quot;E - DNA&quot;센서는 reagentless, 혈액 및 기타 복잡한 매트릭스에서 직접 도전 경우에도 실적이 전기 biosensors은 핵산, 단백질과 작은 분자 analytes 다양한 범위의 감지 적응되었습니다. 여기에는 센서의 제조 및 사용에 대한 일반적인 절차를 제시한다.

핵산, 단백질과 작은 분자의 Reagentless 감지를위한 전기 -의 DNA Biosensors의 제작

현재의 의료 관행에서는 의사가 검체를 중앙 검사실로 보내 테스트를 진행하며, 이에 따라 결과를 받기까지 수 시간 또는 수일이 소요됩니다. ...

본 절차의 전반적인 목표는 전기화학적 DNA 센서를 제작하고 사용하는 것입니다. 우선 프로브 DNA를 환원시킨 후, 센서가 구축될 금 전극을 세척하여 이를 달성합니다. 다음 단계는 프로브 DNA가 포함된 티올-금 자기조립 단분자층을 금 전극 위에 증착하는 것입니다.그 다음 금 전극 표면을 mercaptoethanol로 백필(backfill)합니다. 완전히 형성된 단분자층이 만들어졌는지 확인하기 위해, 절차의 마지막 단계로 버퍼, 소변, 혈청 또는 혈액과 같은 샘플에 센서를 적용합니다. 최종적으로 square wave 또는 alternating current 전압의 피크 전류 변화를 통해 분석물 농도를 나타내는 결과를 얻을 수 있습니다.이 기술은 센서가 소변이나 혈청에서 다양한 바이오마커와 약물 분자를 직접 검출할 수 있기 때문에 분자 진단 분야에서 광범위하게 활용될 수 있습니다. 저희 연구 그룹의 대학원생인 Aaron Rowe 씨가 실험 절차를 시연할 예정이며, 저희와 함께 연구 중인 박사후 연구원 Ryan White 박사와 Andrew Bonham 박사가 도움을 줄 것입니다.먼저 맞춤형 올리고뉴클레오타이드 합성 회사에서 관련 프로브 DNA를 구매하십시오. 이 프로브는 합성 과정에서 5' 말단에 6-탄소 티올(thiol)이, 3' 말단에는 산화환원 활성 메틸렌 블루(methylene blue)가 추가되어 수식되었습니다. 프로브 DNA를 용해하여 메틸렌 블루 잔기로 인해 푸른색을 띠는 용액을 만듭니다. 분광광도계를 사용하여 260 nm에서 흡광도를 측정함으로써 농도를 확인하고, 프로브 DNA 용액 내에 존재할 수 있는 이황화 결합을 환원시킵니다. 1 µL의 프로브 DNA 스톡 용액과 갓 준비한 TEP 용액 2 µL를 혼합합니다.피펫을 사용하여 생성된 용액을 부드럽게 섞어줍니다. 혼합물을 어두운 냉장 용기에서 1시간 동안 배양합니다. 배양 과정 동안 TEP가 메틸렌 블루를 가역적으로 환원시키면서 푸른색 용액이 투명해져야 합니다.다음으로, 환원된 DNA 프로브 용액을 PBS 버퍼로 희석하여 일반적으로 25에서 1000 사이의 원하는 농도로 맞춥니다. 아노 몰라 센서(Ano molar sensor) 준비는 0.05 micron Illumina 파우더를 미세 연마포 위의 물과 혼합하는 것으로 시작합니다. 이 연마포를 사용하여 금 디스크 전극 세트를 연마하며, 금 표면을 젖은 천에 세게 누른 상태에서 전극당 약 3분 동안 8자 모양으로 움직여 줍니다.세척 후 연마된 전극을 탈이온수로 헹굽니다. 이를 탈이온수가 채워진 EOR 튜브에 담급니다. 그런 다음 전극을 5분 동안 초음파 처리하여 남아 있는 Illumina 분말을 제거합니다.초음파 처리 후, 전극을 0.5 M 황산 용액에 넣습니다. 그런 다음 백금 상대 전극과 은/염화은 참조 전극을 용액에 넣고 이를 전위 가변 장치(potentiostat)에 연결합니다. 이어서 일련의 순환 전압-전류법(cyclic voltammetry)을 수행하여 전극 표면을 전기화학적으로 세척합니다.이 절차에 대한 자세한 내용은 이 비디오의 서면 보충 자료와 본 연구진이 이전에 발표한 Nature Protocols 논문에 포함되어 있습니다. 이어서, 이전에 설명한 절차에 따라 황산 내 KCl 용액에서 두 번째 전기화학적 세척을 수행합니다. 다음으로, 2 mL Eppendorf 튜브 세트를 랙에 배열하고 각 튜브에 200 µL의 프로브 DNA 용액을 채웁니다.이 용액 내 프로브 DNA의 농도는 센서 표면에 프로브 DNA가 배치되는 밀도를 결정하며, 새로운 유형의 센서마다 최적화되어야 합니다. 탈이온수로 금 디스크 전극을 헹굽니다. 그런 다음 에펜도르프 튜브에 담긴 해당 프로브 DNA 용액에 전극을 1시간 동안 담급니다.이 단계에서 프로브 DNA는 금 표면의 티올 자기조립 단분자층 형성을 통해 금 전극 표면에 부착됩니다. 전극을 탈이온수로 다시 세척한 후, 에펜도르프 튜브에 담긴 2 mM mercaptoethanol에 침지합니다. 이는 표면을 백필(backfill)하여 완전하고 안정적인 자기조립 단분자층을 보장합니다.증발을 방지하기 위해 파라필름으로 전극을 이노르 튜브(einor tube) 안에 밀봉하십시오. 자기 조립 단분자층(self-assembled monolayer)이 완전히 형성될 수 있도록 침지된 전극을 상온의 어두운 곳에서 3시간부터 하룻밤 동안 보관하십시오. 배양 후 센서를 사용하기 위해 준비하려면, 센서를 탈이온수로 헹군 다음 버퍼에 최소 10분 동안 담가 두십시오.5' 말단의 티올(thiol)을 통해 금 전극에 부착된 17개 뉴클레오티드 프로브 가닥을 사용하여 센서를 이용한 DNA 검출을 시연합니다. 프로브의 3' 말단에는 메틸렌 블루 산화환원 리포터가 포함되어 있습니다. 프로브 분자가 캡처 가닥과 하이브리드화되면 센서에서 생성되는 전기화학 전류가 감소합니다. 먼저, 새 센서를 탈이온수로 헹군 후 공시료(blank sample)에 담급니다.배경 신호를 기록하기 위해, 진폭 25 millivolts, 단계 전압 1 millivolt로 0에서 -0.6 volts까지 square wave 측정을 수행합니다. 최적의 square wave 주파수는 프로브 구조의 세부 사항에 따라 달라집니다. methylene blue의 산화환원 전위인 약 -0.25 volts에서 둥근 피크가 나타나야 합니다.이 피크의 기저 전류 높이는 메틸렌 블루와 금 전극 사이의 전자 전달 효율에 비례합니다. 이 배경 측정값을 저장하십시오. 다음으로, 전극을 관심 대상인 표적 DNA 분자가 포함된 용액으로 옮기고 평형 상태가 될 때까지 기다립니다.또는, 센서가 담겨 있는 용액에 표적 DNA를 추가할 수 있습니다. 두 번째 정방형파 전압-전류도(square wave voltammogram)를 측정합니다. -0.25 V에서의 피크 높이는 초기 배경 측정값과 다르게 변화할 것입니다.이러한 변화의 크기는 분석물의 농도와 관련이 있습니다. 이는 센서의 주요 출력 데이터입니다. 측정이 끝나면 상대적 신호 변화량을 계산하십시오.이 백분율은 전극 간의 표면적 차이를 보정하므로, 전류의 절대적 변화를 측정하는 것보다 재현성이 높은 경우가 많습니다. 절차가 완료된 후, 센서는 항체 검출을 위한 동반 서면 절차에 기술된 대로 재생할 수 있습니다. 메틸렌 블루와 티올로 변형된 DNA를 이용한 센서에서, DNA는 앵커 가닥의 역할을 하며 금 전극에 직접 부착됩니다.그 다음, 관련 항원이 공유 결합으로 접합된 두 번째 인식 DNA 가닥과 하이브리드화합니다. 이어서 특정 표적 항체와 함께 배양합니다. 100 nM의 관련 인식 물질이 포함된 에펜도르프 튜브로 미리 제작된 센서를 옮겨 하이브리드화 단계를 수행합니다.PBS 내의 DNA 가닥에서 센서를 1시간 동안 반응시킵니다. 그 후, 공백 용액으로 옮기기 전에 결합되지 않은 프로브를 제거하기 위해 PBS 버퍼에 담급니다. 다음으로, 센서를 해당 공백 용액에 넣고 백금 대전극과 은/염화은 참조 전극을 용액에 배치합니다.전극을 포텐시오스탯(potentiostat)에 연결합니다. 앞서 설명한 대로 사각파 전압 측정(square wave voltammetry)을 수행하며, 본 예제에서 사용된 특정 프로브 구조에 최적화된 사각파 주파수는 60 hertz입니다. -0.25 volts 부근에서 둥근 피크가 나타나야 합니다.이 배경 측정값을 저장하십시오. 5분에서 60분간의 배양 후 전극을 표적 분석물이 포함된 용액으로 옮기고, 두 번째 정방형 파형 전압전류법(square wave voltammetry)을 측정하십시오. 표적 항체가 존재하면 -0.25 V에서의 피크가 감소합니다.이러한 변화의 크기는 항체 농도와 관련이 있습니다. 저분자 검출을 입증하기 위해, 센서 표면의 프로브 DNA는 아토머(aptr)입니다. 아토머는 특정 분자 분석물을 결합하도록 체외(in vitro)에서 선택된 DNA 또는 RNA 분자입니다.압타머는 종종 구조를 변경하기 위해 재설계될 수 있습니다. 이러한 결합 시, 여기서 사용된 압타머는 약물인 코카인과 결합할 때 구조적 형태가 변합니다.먼저, 새 센서를 탈이온수로 헹군 후, 배경 신호를 기록하기 위해 표적 물질이 없는 공시료(blank sample)에 담급니다. 그런 다음 백금 대전극과 염화은(silver, silver chloride) 기준 전극을 용액에 넣습니다. 전극을 포텐쇼스탯(potentiostat)의 리드선에 연결하고, 사각파(square wave) 또는 교류 전압 전위 측정(alternating current vault telemetry)을 수행합니다.앞서 설명한 바와 같이, 여기서 사용된 특정 프로브 구조에 최적화된 정방형파 주파수는 60 hertz입니다. 다시 한번 -0.25 volts 부근에서 둥근 피크가 나타나야 하며, 이를 배경 측정값으로 저장해야 합니다. 그 후 전극을 표적 분석물이 포함된 용액으로 옮기십시오.32분간의 배양 후, 두 번째 사각파 또는 교류 전압그램(volt Graham)을 수집합니다. -0.25 V에서의 피크 높이가 변하게 됩니다. 이 변화의 크기는 표적 분석물의 농도와 관련이 있습니다.여기에 기술된 프로브 구조를 사용하여 DNA를 검출하는 전기화학적 DNA 바이오센서의 경우, 신호가 최소 60% 감소해야 합니다. 탈이온수로 세 차례 짧게 세척한 후 200 nM 타겟과 평형을 이루면, 신호는 원래 값의 0.1~5% 범위 내로 돌아와야 합니다. 마찬가지로, 여기에 기술된 센서를 사용하여 항체를 검출할 때, 항체가 결합하면 신호가 40~80% 감소해야 합니다. 반대로, 코카인을 검출하기 위한 앱타머 기반 센서는 소분자가 결합할 때 신호가 최대 200%까지 증가하는 양상을 보입니다.이러한 변화의 정도는 전기화학적 측정 주파수와 센서의 표면 피복률에 따라 달라집니다. 코카인 센서의 경우에는 상대적으로 낮은 표면 피복률이 가장 적합합니다. 숙달되면, 이러한 센서의 제작 및 사용은 단 하루 만에 완료할 수 있습니다.본 절차를 수행할 때 정방향 파형 주파수나 전극 표면의 프로브 밀도와 같은 파라미터가 센서 성능에 큰 영향을 미친다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 이 영상을 시청하고 나면 전기화학 DNA 바이오센서, 압타머 바이오센서 및 스캐폴드 바이오센서를 준비하는 방법과 이를 다양한 기초 측정에 활용하는 방법을 알게 될 것입니다. 본 프로토콜의 주요 위험 요소는 부식성인 황산의 사용이므로, 보호 안경과 장갑 착용이 필수적입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

우리는 빠른 세균 검출 및 식별을 위해 전기 센서 분석 방법을 설명합니다. 분석은 리보솜 RNA (rRNA의) 종의 특정 시퀀스 DNA 올리고 뉴클레오타이드 캡처 프로브 작용 센서 어레이를 포함한다. 캡처 프로브와 고추 냉이 과산화 효소 연결된 DNA 올리고 뉴클레오타이드 검출기 프로브 대상 rRNA의의 샌드위치 하이브리드는 측정 전류 측정 전류를 생성합니다.

전기 화학 센서를 사용하여 세균의 검출 및 식별

우리는 제조 장치 및 탄소 나노 튜브 기반의 고주파 바이오 센서를위한 측정 프로토콜을 설명합니다. 높은 주파수 감지 기술은 근본적인 이온 (의 Debye) 선별 효과를 완화하고 기존의 전자 바이오 센서가 실패 높은 이온 강도 솔루션을 운영 할 나노 튜브 바이오 센서 수 있습니다. 우리의 기술은 점의 배려 (POC) 생리학 관련 조건에서 작동하는 전자 바이오 센서의 고유 한 플랫폼을 제공합니다.

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페로센의 비대칭 종의 합성은 용액 기술을 사용하여 어렵습니다.  이 보고서는 고체상 합성을 통해 수행된 용이하고 깨끗한 반응을 사용하여 페로센-비오틴 생체접합체를 생성하기 위해 수행된 방법에 중점을 둡니다.  티올레이트 부분의 혼입은 금 표면에 고정화(immobilization)를 위한 능력을 부여하기 위해 보여진다.

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브리 parahaemolyticus 감지 polylactic 산 안정, 금 나노 입자 수정, 모티브로 탄소 전극으로 구성 된 전기 화학 DNA 바이오 센서의 개발에 대 한 프로토콜 제공 됩니다.

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DNAzyme 10-23 - 핵산 인식을 위한 기반 나노머신

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