Przedstawiono protokół rozwoju elektrochemicznego biosensora DNA, składającego się z stabilizowanej kwasem polimlekowym, modyfikowanej nanocząstkami złota, sitodrukowanej elektrody węglowej do wykrywania Vibrio parahaemolyticus.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono protokół rozwoju elektrochemicznego biosensora DNA, składającego się z stabilizowanej kwasem polimlekowym, modyfikowanej nanocząstkami złota, sitodrukowanej elektrody węglowej do wykrywania Vibrio parahaemolyticus.
Vibrio parahaemolyticus (V. parahaemolyticus) jest powszechnym patogenem przenoszonym przez żywność, który przyczynia się do dużej części problemów zdrowia publicznego na całym świecie, znacząco wpływając na wskaźnik śmiertelności i zachorowalności ludzi. Konwencjonalne metody wykrywania V. parahaemolyticus, takie jak metody oparte na hodowlach, testy immunologiczne i metody molekularne, wymagają skomplikowanej obsługi próbki i są czasochłonne, żmudne i kosztowne. Ostatnio bioczujniki okazały się obiecującą i kompleksową metodą wykrywania, której zaletą jest szybkie wykrywanie, opłacalność i praktyczność. Badania te koncentrują się na opracowaniu szybkiej metody wykrywania V. parahaemolyticus o wysokiej selektywności i czułości z wykorzystaniem zasad hybrydyzacji DNA. W pracy scharakteryzowano zsyntetyzowane nanocząstki złota stabilizowane kwasem polimlekowym (PLA-AuNPs) za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), spektroskopii ultrafioletowo-widzialnej (UV-Vis), transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), skaningowej mikroskopii elektronowej z emisją polową (FESEM) i woltamperometrii cyklicznej (CV). Przeprowadziliśmy również dalsze testy stabilności, czułości i odtwarzalności PLA-AuNPs. Stwierdziliśmy, że PLA-AuNP utworzyły solidną strukturę stabilizowanych nanocząstek w roztworze wodnym. Zaobserwowaliśmy również, że czułość poprawiła się w wyniku mniejszej wartości rezystancji przenoszenia ładunku (Rct) i zwiększenia powierzchni czynnej (0,41cm2). Opracowanie naszego biosensora DNA opierało się na modyfikacji elektrody węglowej z sitodrukiem (SPCE) z PLA-AuNPs i wykorzystaniu błękitu metylenowego (MB) jako wskaźnika redoks. Oceniliśmy zdarzenia unieruchomienia i hybrydyzacji za pomocą woltamperometrii impulsowej różnicowej (DPV). Odkryliśmy, że komplementarne, niekomplementarne i niedopasowane oligonukleotydy zostały specjalnie rozróżnione przez wytworzony biosensor. Wykazano również niezawodnie czułe wykrywanie w badaniach reaktywności krzyżowej przeciwko różnym patogenom przenoszonym przez żywność oraz w identyfikacji V. parahaemolyticus w świeżych sercówkach.
Główny temat publicznej i naukowej debaty w ostatnich latach, zatrucia pokarmowe są głównie związane z 3 czynnikami: mikroorganizmami1, chemikaliami2, oraz pasożytami3. Skażona żywność może powodować poważne konsekwencje zdrowotne u ludzi, zwłaszcza w grupie podwyższonego ryzyka, czyli osób o słabym układzie odpornościowym, osób starszych, kobiet w ciąży, niemowląt i małych dzieci4. Z ponad milionem przypadków ostrej biegunki występujących rocznie u dzieci poniżej 5 roku życia w Afryce, Azji i Ameryce Łacińskiej, zatrucia pokarmowe są główną chorobą globalną5,6, a Światowa Organizacja Zdrowia ustaliła mikroorganizmy jako najważniejszy czynnik7. Vibrio parahaemolyticus wyróżnia się wśród najbardziej rozpoznawalnych zjadliwych szczepów. Zwykle spotykana w środowiskach przybrzeżnych, ujściowych i morskich8, jest to bakteria Gram-ujemna, która staje się aktywna w środowiskach o wysokiej zawartości soli i powoduje poważne zapalenie żołądka i jelit u ludzi, gdy jest spożywana w nieodpowiednio ugotowanych, niewłaściwie traktowanych lub surowych produktach morskich9. Dodatkowo, istniejące schorzenia u niektórych osób sprawiają, że są one podatne na infekcje ran, posocznicę lub infekcje ucha wynikające z V. parahaemolyticus10. Czynniki wirulencji hemolizyn V. parahaemolyticus dzielą się na dwa typy, które przyczyniają się do patogenezy choroby: termostabilną bezpośrednią hemolizynę (TDH) kodowaną przez geny tdh i hemolizynę związaną z TDH kodowaną przez geny trh11. Markery wirulencji (geny tdh i trh) V. parahaemolyticus znajdują się głównie w próbkach klinicznych, a nie w próbkach środowiskowych.
V. parahaemolyticus posiada zdolność do przetrwania w szerokim zakresie warunków, szybko reagując na zmiany środowiskowe12. Jego mechanizm proliferacji zwiększa jego potencjał zagrożenia, ponieważ jego toksyczność wzrasta równolegle z masą komórkową13. Co gorsza, zmiany klimatyczne stwarzają tym bakteriom warunki do przyspieszenia wzrostu ich populacji komórek14. Ze względu na wysoką częstotliwość, V. parahaemolyticus musi być monitorowany w całym łańcuchu dostaw żywności, szczególnie w handlu i produkcji owoców morza, ponieważ produkty te znajdują się tam, gdzie występują w ogromnych ilościach15,16 na całym świecie. Obecnie bakterie są identyfikowane i izolowane przy użyciu szeregu metod, w tym testów biochemicznych, wzbogacania i selektywnych pożywek17, enzymatycznego immunomagnetycznego testu sorbentowego (ELISA)18, elektroforezy żelowej w polu pulsacyjnym (PFGE)19, testów aglutynacji lateksu i testów reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR)20. Metody te zwykle wymagają wykwalifikowanego personelu, wyrafinowanych narzędzi i pracochłonnych technik, które nie dostarczają natychmiastowych informacji o skażeniu. To znacznie ogranicza prawdopodobieństwo szybkiego wykrycia szkodliwych zanieczyszczeń i zastosowań na miejscu. Narzędzia do szybkiego wykrywania pozostają wyjątkowym wyzwaniem.
Biosensing staje się obiecującą opcją do wykrywania patogenów przenoszonych przez żywność, ponieważ oferuje oszczędzającą czas, efektywną kosztowo, praktyczną metodę analizy w czasie rzeczywistym21,22,23,24. Jednakże, mimo że uzyskano wiele pozytywnych wyników wykrywania analitów w próbkach wzbogaconych i roztworze wzorcowym przy użyciu biosensorów, nadal brakuje badań zastosowanych do rzeczywistych próbek, zarówno w mieszaninach wodnych, jak i ekstraktach organicznych25. Ostatnio naukowcy coraz częściej przyglądają się bioczujnikom elektrochemicznym wykorzystującym bezpośrednie i/lub pośrednie wykrywanie kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) ze względu na specyficzne wykrywanie celu komplementarnego poprzez zdarzenie hybrydyzacji26,27,28,29. Te unikalne podejścia są bardziej stabilne w porównaniu z biosensorami opartymi na enzymach, oferując tym samym obiecującą technologię miniaturyzacji i komercjalizacji. Celem opisywanego tutaj badania jest skonstruowanie szybkiego narzędzia, które może wykrywać V. parahaemolyticus z wysoką selektywnością, czułością i praktycznością, w oparciu o specyficzność sekwencji DNA podczas hybrydyzacji. Strategie identyfikacji obejmują połączenie nanocząstek złota stabilizowanych kwasem polimlekowym (PLA-AuNPs)30 i elektrod węglowych z sitodrukiem (SPCE) w obecności wskaźnika hybrydyzacji, błękitu metylenowego (MB). Potencjał opracowanego konstruktu detekcyjnego jest dalej badany przy użyciu bakterii, lizatu DNA i świeżych próbek sercówek.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Wszystkie chemiczne i biochemiczne odczynniki, które mają być użyte, powinny być klasy analitycznej i używane bez dalszego oczyszczania. Przygotuj wszystkie roztwory za pomocą sterylnej wody dejonizowanej. Całe szkło należy sterylizować w autoklawie przed sterylizacją.
Uwaga: Proszę stosować wszystkie odpowiednie praktyki bezpieczeństwa podczas wykonywania czynności laboratoryjnych, w tym stosowanie kontroli inżynieryjnych (dygestoria, schowek na rękawiczki) i środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami).
1. Wytwarzanie i charakterystyka zmodyfikowanej elektrody przy użyciu PLA-AuNPs
2. Opracowanie elektrochemicznego biosensora DNA
3. Walidacja wyprodukowanego biosensora DNA przy użyciu prawdziwych próbek
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Powstawanie AuNPs zostało ujawnione poprzez zmianę koloru roztworu wodnego z obecnym cytrynianem sodu. Spowodowało to zmianę koloru z jasnożółtego na głęboki rubinowy. Wytwarzanie PLA-AuNP zostało potwierdzone na podstawie widm UV-vis (Rysunek 1), gdzie stwierdzono wzrost piku powierzchniowego rezonansu plazmonowego (SPR) przy około 540 nm. Powstawanie i istnienie PLA-AuNPs zostało wskazane w zakresach długości fal 500-600 nm, w zależności od wielkości cząstek
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Kluczowymi krokami w ramach pomyślnego rozwoju tego typu biosensora elektrochemicznego są dobór odpowiednich elementów rozpoznawania biologicznego dla przetwornika (w tym przypadku kwasu nukleinowego lub DNA); chemiczne podejście do konstruowania warstwy detekcyjnej przetwornika; materiał transdukcyjny; optymalizacja immobilizacji i hybrydyzacji DNA; oraz walidacja opracowanego biosensora z wykorzystaniem rzeczywistych próbek.
Kluczem do pomyślnego opracowania czułego i selektywnego elektroche...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy pragną podziękować za wsparcie ze strony Universiti Putra Malaysia.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kwas octowy | Merck | 100056 | |
| Chloroform | Merck | 102445 | |
| Diaminoetan Kwas tetraoctowy | Promega | E5134 | |
| Dwuzasadowy fosforan sodu | Sigma-Aldrich | S9763 | |
| Wodorofosforan disodowy | Sigma-Aldrich | 255793 | |
| Etanol | Sigma-Aldrich | 16368 | |
| Trójwodny chlorek złota (III) | Sigma-Aldrich | 520918 | |
| Kwas solny | Merck | 100317 | |
| Błękit metylenowy | Sigma-Aldrich | M44907 | |
| Jednozasadowy fosforan sodu, monohydrat | Sigma-Aldrich | S3522 | |
| Solanka fizjologiczna buforowana fosforanami | Sigma-Aldrich | P5119 | |
| Żywica poli(kwasu mlekowego), klasa handlowa 4042D | NatureWorks | 4042D | |
| Chlorek potasu | R& M Chemicals | 59435 | |
| Diwodorofosforan potasu | Sigma-Aldrich | P9791 | |
| Heksacyjanożelazian potasu III | R& M Chemicals | 208019 | |
| Octan sodu sól bezwodna | Sigma-Aldrich | S2889 | |
| Chlorek sodu | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| Cytrynian trisodowy | Sigma-Aldrich | S1804 | |
| Tris(hydroksymetylo)aminometan | Fisher Scientific | T395-100 | |
| Tris-Base | Fisher Scientific | BP152-500 | |
| 2X PCR Master Mix z podwójnym barwnikiem | Norgen Biotek | 28240 | |
| Żel agarozowy | Merck | 101236 | |
| Bolton Agar | Merck | 100079 | |
| CHROMagar Vibrio | CHROMagar | VB910 | |
| dNTPs | Promega | U1511 | |
| Woda wolna od nukleaz | Thermo Scientific | R0581 | |
| Agar błękit metylenowy eozyny | Merck | 101347 | |
| GelRed | Biotium | 41001 | |
| Glicerol | Merck | 104092 | |
| Go Taq Buffer | Promega | M7911 | |
| Ładowanie barwnika 100 pz Drabinka DNA | Promega | G2101 | |
| Ładowanie barwnika 1kb Drabinka DNA | Promega | G5711 | |
| Chlorek magnezu | Promega | 91176 | |
| Agar polimyksynowy z żółtkiem jaja mannitolu | Merck | 105267 | |
| McConkey Agar | Merck | 105465 | |
| Bulion odżywczy | Merck | 105443 | |
| polimeraza Taq | Merck | 71003 | |
| Tryptykaza Rosół sojowy | Merck | 105459 | |
| Tryptykaza Agar sojowy | Merck | 105458 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie