Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Изготовление Электрохимические ДНК-биосенсоры для Безреагентная Обнаружение нуклеиновых кислот, белков и малых молекул

doi: 10.3791/2922 Published: June 1, 2011

Summary

"E-ДНК" датчики, безреагентной, электрохимические биосенсоры, которые выполняют хорошо, даже когда оспаривается непосредственно в крови и других комплексных матриц, были адаптированы для обнаружения широкого диапазона нуклеиновые кислоты, белки и малые молекулы аналита. Здесь мы приведем общий порядок изготовления и использования таких датчиков.

Abstract

Как медицина практикуется в настоящее время, врачи отправить образцы в центральную лабораторию для тестирования и, следовательно, должны ждать несколько часов или дней, чтобы получить результаты. Многие пациенты, было бы лучше, быстрым, прикроватные тесты. Для этого наша лаборатория и другие разработали универсальный, безреагентной биосенсор платформе, которая поддерживает количественные, безреагентной, электрохимические обнаружения нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), белков (в том числе антитела) и малых молекул аналитов непосредственно в необработанном клинических и экологических пробах. В этом видео, мы демонстрируем подготовки и использования нескольких биосенсоров в этом "E-ДНК" класса. В частности, мы изготавливаем и демонстрируют датчики для обнаружения последовательности ДНК-мишени в полимеразной цепной реакции смеси, ВИЧ-специфических антител и наркотик кокаин. Подготовка процедуры требуется всего три часа практических усилий следует инкубации в течение ночи, а их использование требует всего несколько минут.

Protocol

1. Создание основы

  1. Покупка уместно, химически модифицированного зонда ДНК из пользовательских компании синтеза олигонуклеотида, таких как Biosearch технологий (Новато, Калифорния) или Midland Сертифицированный (Мидленд, штат Техас). Зонда изменяется в процессе синтеза при добавлении C6 тиоловых на своем 3'-конце и окислительно-восстановительной активностью метиленового синего на своих 5'-конца.
  2. Растворите зонда ДНК в фосфатном буферном растворе рН 7,4 до концентрации 200 мкМ и проверить его концентрации путем измерения ее поглощения при 260 нм, используя спектрофотометр. В связи с метиленовым синим фрагмент на ДНК-зонд раствор должен иметь видимые синий оттенок.
  3. Недавно подготовить 1 мл 10 мМ раствора трис (2-карбоксиэтил) фосфин TCEP в дистиллированной, деионизированной воды (DI-вода). По нашему опыту, эти TCEP решения остаются свежими в течение одной недели при хранении в темноте при 4 ° C.
  4. Чтобы уменьшить любые дисульфидных связей, которые могут присутствовать в растворе ДНК-зонда, смешайте 1 мкл исходного раствора ДНК-зонда с 2 мкл TCEP раствора и осторожно смешать с пипеткой. Выдержите смесь в течение одного часа в темном, рефрижераторный контейнер. Первоначально сине решение должно стать ясно, как TCEP обратимо снижает метиленового синего. Если решение не стало ясно, повторите процедуру, используя свежий раствор TCEP или, возможно, при комнатной температуре.
  5. Через час разбавленный раствор уменьшается зонда ДНК с 1 мл буфера, это будет разбавить его до концентрации 200 нм. Позже, вы инкубировать комплект золотых электродов диск в 200 мкл части этого разбавленного раствора зонда.
  6. Недавно подготовить не менее 2 мл 2 мМ mercaptohexanol в фосфатным буферным раствором.

2. Датчик подготовка

  1. Комбинат 0,05 микрон порошок оксида алюминия с водой на тонкого сукна полировки. Польский комплект золотых электродов диск (CH инструменты, Остин, Техас), нажав золотой поверхности, прочно в мокрую ткань, и перемещение их в восьмерку картины в течение примерно трех минут на электроде.
  2. Промойте электроды с полированной DI-воды и опустите их в пробирки Эппендорф заполнены одинаково. Разрушать ультразвуком в течение пяти минут, чтобы удалить остатки порошка оксида алюминия.
  3. Место электродов в 0,5 М раствор серной кислоты, присоединить их к потенциостате вместе со счетчиком платину и серебро / серебро электрода сравнения хлорид, и запустить серию вольтамперограммы для окисления, сокращение и электрохимически чистой их поверхности. После этого выполните вторую очистки электрохимическим в растворе 0,01 М KCl в 0,1 М серной кислоты. Мелкие детали этих процедур очистки можно найти в нашей природе протоколы бумаги 1, а в дополнение к этому видео.
  4. Упорядочить комплект из 2 мл пробирок Эппендорф в стойке и заполнить каждую 200 мкл раствора ДНК-зонда. Концентрация зонда ДНК в это решение будет определять плотность, с которой зонд ДНК пакет на поверхности сенсора. Эффективность работы датчиков сильно зависит от датчика плотности, с оптимальной плотности колеблется от одного датчика архитектуры к другой. Зонд концентрации использоваться на этом этапе должны таким образом быть оптимизированы для каждого нового типа датчика 2. Для зонда архитектуры мы исследовали на сегодняшний день, концентрация зонда ДНК у нас работают на этом этапе в диапазоне от 15 нм до 2 мкм, с 200 нМ будучи типичным значением.
  5. Промыть золотых электродов диск с DI-воды, а затем погружают их в соответствующие решения ДНК-зонда в пробирку Эппендорфа течение одного часа. В этот момент зонд ДНК будет приложить к поверхности электрода золота через образование тиол-на-золото само собраны монослоя.
  6. Промойте электроды с DI-воды, погрузите их в 2 мМ mercaptohexanol в пробирку Эппендорфа и хранить их в темном месте в течение 3 часов ночи при комнатной температуре для обеспечения полного формирования самостоятельной собрали монослоя. Этот шаг включает в себя mercaptohexanol как часть смешанного монослоя обеспечить формирование стабильного монослоя. Для предотвращения испарения вы можете уплотнение электрода в пробирку Эппендорф с парафильмом. Датчики могут быть сохранены в этом растворе в течение нескольких дней, если это необходимо.
  7. Когда вы будете готовы использовать датчик, промойте ее с DI-воды, а затем окуните его в буфер, по крайней мере десять минут. Датчики, направленных на обнаружение антител, также должны быть погружены в 100 нм решения соответствующих прядь признание перед употреблением, а затем очень быстро промыть буфера.

3. Тестирование датчика, обнаружение ДНК

  1. В этом протоколе 17 нуклеотидные нити зонда прикреплен к золотой электрод. Он метиленового синего окислительно-восстановительных репортера на своем 3'-конце (рис. 1). Когда пробная молекула гибридизуется с захвата нити, ток через цепь датчика уменьшается.
  2. Промойте свежие сенсор с DI-воды и опустите его в пустуюобразца не хватает целевой для записи фонового сигнала она производит. Прикрепите датчик рабочего электрода примеру потенциостате. Место платиновый электрод счетчика и серебра / хлорида серебра электрода в раствор.
  3. Выполнить измерения квадратных волна от 0 до -0,6 В с амплитудой 25 мВ и размер шага 1 мВ. Оптимальная площадь частота волны будет зависеть от деталей архитектуры зонд 2,3; для зонда архитектуры мы использовали оптимальные значения, как правило, в диапазоне от 60 до 600 Гц. Вы должны увидеть округлый пик примерно -0,35 V, окислительно-восстановительный потенциал метиленовый синий (пиковый потенциал может слегка смещаться в зависимости от конкретной рН тестового раствора). Высота по сравнению с исходным актуальными и по сей пика пропорциональна эффективности переноса электрона между метиленовый синий и золотой электрод (Figure2). Сохранить этом фоне измерения.
  4. Перемещение электродов в раствор, который содержит молекулы ДНК-мишени интересов, равновесие (от 5 до 120 мин в зависимости от размера, структуры и концентрации target4, 5) и собрать второй квадрат voltammagram волны. Высота пика при -0,35 V будет меняться от начального, фон измерений. Величина этого изменения, связанные с концентрацией аналита. Это главный вывод данных этого датчика (рис. 3).
  5. Измерение относительного изменения сигнала, уменьшения процента или увеличения сигнала относительно фонового пика, часто более воспроизводимым, чем измерение абсолютное изменение тока, так как это корректирует изменения площади поверхности электрода. Чтобы сделать это, разница между пиковый ток и ток фоне пика делятся на фоне пикового тока.

4. Датчик Регенерация

  1. Как только ваши измерения полного, перемещение датчика в емкость, наполненную DI-воде в течение 30 с, или струя ее устойчивый поток DI-воде в течение 30 сек Повторите это еще два раза, со свежей деионизированной водой. Примечание: некоторые аналитов устойчивы к этим подходом, для них пытаются агрессивной промывки в 6 М гуанидина гидрохлорид или 70% этанола.
  2. Поместите датчик обратно в раствор, где измерения будут сделаны. В течение минуты, высота пика должен был вернуться к своей первоначальной стоимости. Стоит отметить, что эти датчики часто демонстрируют чуть больше изменение сигнала во время их первого испытания, а цикл регенерации, и чрезвычайно устойчивые результаты в течение последующих циклах 6.

5. Датчик тестирование, обнаружение антител

  1. В этом протоколе, метиленовым синим и тиоловых модифицированных ДНК-зонда, используемые в этих датчиков служит "якорем" нить 7. Он крепится непосредственно к золотому электроду. Это то гибридизации с во-вторых, "признание" ДНК, который был ковалентно конъюгированный с соответствующим антигеном (рис. 4). У нас были удачи в коммерческих домах синтеза, таких как Biosearch технологий и Panagene, для синтеза необходимых ДНК-антигену химеры. Гибридизации шаг осуществляется путем перечисления сборных датчика в трубке Эппендорф, содержащий 100 нМ соответствующей цепи ДНК признание в PBS в течение 1 часа.
  2. Установите датчик в соответствующих пустое решение. Прикрепите его к рабочему электроду примеру потенциостате и место платиновый электрод счетчика и серебро / серебро электрода сравнения хлорида в растворе.
  3. Выполните квадратных вольтамперометрии волны, как описано выше. Для определенной архитектуры зонда мы использовали здесь оптимальная частота волны площадью 60 Гц. Вы должны увидеть округлый пик около -0,35 В. Сохранить этом фоне измерения.
  4. Передача электроды к раствору, содержащему целевой аналита, инкубировать 5 до 60 мин, а собирать второй квадрат voltammagram волны. Если цель антител присутствует пик при -0,35 V будет уменьшаться. Величина этого изменения, связанные с концентрации антител.

6. Тестирование датчика, Малый Обнаружение молекулы

  1. В этом случае зонд молекулы на поверхности сенсора является аптамеров, ДНК или РНК, молекулы, которая была выбрана в пробирке связать конкретные молекулярные аналита, что изменение его структуры (складки) при связывании с его целевым аналита 8,9 ( Рисунок 5). Здесь мы воспользуемся кокаина имеют обязательной силы, ДНК аптамер разработан Стоянович 10,11 лаборатории.
  2. Промойте свежие сенсор с DI-воды и опустите его в пустой образец отсутствует цель, чтобы записать фонового сигнала она производит. Прикрепите датчик рабочего электрода примеру потенциостате. Место счетчик платины и серебра / хлорида серебра ссылку в раствор.
  3. Выполните квадратных вольтамперометрии волны, как описано выше. Для определенной архитектуры зонда мы использовали здесь оптимальным квадратный частоты волны 200 Гц (Но 60 Гц также работает). Вы должны увидеть округлый пик около -0,35 В. Сохранить этом фоне измерения.
  4. Передача электроды к раствору, содержащему целевой аналита, инкубировать в течение ~ 5 мин, и собирают второй квадрат voltammagram волны. Высота пика при -0,35 V будет меняться. Величина этого изменения, связанные с концентрацией целевой аналита. Если вы не можете получить кокаин образца, прокаин, использование которых не регулируется, может быть использован в качестве замены.

7. Представитель Результаты:

Когда используется для обнаружения ДНК с использованием первого архитектуры, сигнал должен уменьшиться не менее 60% при уравновешенной при 200 нм цели. После трех кратких полосканий в деионизованной воде, сигнал должен вернуть в непосредственной близости (в пределах 0,1-5%) в его первоначальное значение. Датчики обнаружения антител должен пройти сигнал снижение от 40 до 80%. Аптамер основе датчиков для обнаружения кокаина выставку сигнал увеличение до 200% в зависимости от частоты и покрытия поверхности, на которой они работают. Для кокаина датчик, низкий охват поверхности лучше 3.

Рисунок 1
Рисунок 1. Обнаружение ДНК с ДНК электрохимических биосенсоров.

Рисунок 2
Рисунок 2. Снимок показывает сигнал, E-ДНК-биосенсор в квадратных вольтамперометрии волны.

Рисунок 3
Рисунок 3. Снимок экрана показывающий сигналы, создаваемые E-ДНК биосенсор в квадратных вольтамперометрии волны, до и после гибридизации с аналита.

Рисунок 4
Рисунок 4. Обнаружение антител с биосенсор эшафот.

Рисунок 5
Рисунок 5. Обнаружения кокаина или прокаин с биосенсор электрохимической аптамеров.

Custom Oligo Последовательность Комментарии
Линейный датчик ДНК (LP17) 5'-HS-(CH 2) 6-TGGATCGGCGTTTTATT-(СН2) 7-NH-MB-3 ' ВЭЖХ очищенная, могут быть заказаны с SS
ДНК-мишени Аналит AATAAAACGCCGATCCA Немодифицированные
Признание Strand 5'-антиген-TEG-CAGTGGCGTTTTATTCTTGTTACTG-3 '
Леса Якорь 5'-HS-(CH 2) 6-GCAGTAACAAGAATAAAACGC CACTGC-(CH 2) 7 МБ ВЭЖХ очищенная, могут быть заказаны с SS
A4 Кокаин аптамер 5'-HS-AGACAAGGAAAATCCTTCAATGAAGTGGGTCG-MethyleneBlue-3 ' ВЭЖХ очищенная, могут быть заказаны с SS

Таблица 1. Зонд и последовательности ДНК-мишени.

Discussion

Важно отметить, что ни один из экспериментов, описанных выше, будет работать корректно, если электроды были должным образом очищена. Вот руководство, чтобы наша процедура очистки электрохимическим. При работе с СН potentiostats инструменты, бежим этих ступеней очистки с помощью набора из трех макросов программ.

Фазы Ноль (E-чистой O)
Погрузите электроды в 0.5MH 2 SO 4 и соединить их с рабочих электродов потенциостате. Также приложите и погрузиться Ag / AgCl ведения и платиновый электрод счетчика. Начните с окислением шаг (2 V в течение 5 с), а затем уменьшение шага (0,35 В в течение 10 с).

Первый этап (E-чистой 1)
Инициировать окисления и восстановления сканирует под тем же кислотной среде (0.5MH 2 SO 4) от 0,35 до 1,5 В (20 сканирований в скорости сканирования 4 V / с, а интервал выборки в 0,01 В, следуют четыре сканирует на скорости сканирования от 0,1 В / с, а интервал выборки в 0,01 V).

Второй этап (E-чистым 2)
Поведение другой набор электрохимического окисления и восстановления сканирует в кислой среде (0,01 М KCl/0.1 М H 2 SO 4), охватывающий четыре различных потенциальных диапазонов (все выполнены на 10 сегментов по скорости сканирования 0,1 В с 1 и образец интервалом 0,01 В ): (я) потенциала диапазоне от 0,2 до 0,75 В; (II) потенциальный диапазон от 0,2 до 1,0 В; (III) потенциальный диапазон от 0,2 до 1,25 В; (IV) потенциальный диапазон от 0,2 до 1,5 В.

Многие виды золотых электродов могут быть использованы для проведения этих экспериментов. В дополнение к золотым электродам диске, такие как лиц, работающих здесь, мы имели успех с microfabricated золота поверхностей, золотой проволоки, и золото на печатных платах.

Наряду с датчиками описанных в этой статье, многие другие архитектуры ДНК электрохимических биосенсоров не поступало. Это включает в себя датчики с псевдоузел 12, тройной нити 13, сэндвич-14, супер-сэндвич 15, или триплекс 16 архитектуре.

В будущем мы ожидаем, что эти датчики будут использоваться в медико-санитарных пунктах диагностики медицинский. Они были успешно интегрированы в несколько микрожидкостных устройств 17,18, и предлагают множество преимуществ по сравнению с оптическими системами обнаружения аналита. В частности, эти датчики могут функционировать в мутных, оптически плотной и очень самофлюоресцирующими образцов.

Disclosures

Существует ничего разглашать.

Acknowledgments

Эта работа финансировалась за счет гранта (OPP1015402) от Фонда Билла и Мелинды Гейтс через Гранд Инициативы Проблемы Исследования, а также за счет грантов NIH GM062958-01 и 2R01EB002046. Эта работа была выполнена частично под эгидой Министерства энергетики США Лоуренс Ливерморской национальной лаборатории по контракту DE-AC52-07NA27344.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Gold Disk Electrodes CH Instruments, Inc. CHI101 Can be re-used
Synthetic Probe DNA Biosearch Technologies Custom
Synthetic Target DNA Sigma-Aldrich Custom
Mercaptohexanol Sigma-Aldrich 725226-1G Store in cool dark place
Platinum Electrode BASi MW-1032 Can be re-used
Ag/AgCl Reference BASi MF-2052 Can be re-used
Polishing Cloth Buehler 40-7212
Alumina Polish Buehler 40-6325-016
Phosphate buffered saline Buffer, pH 7.4 Sigma-Aldrich P7059-1L
CH Instruments 605A CH Instruments, Inc. 605A Use any potentiostat
Newborn Calf Serum Sigma-Aldrich N4637-500ML Stored frozen
NanoDrop Fisher Scientific ND-2000 Use any UV-Vis
PCR Mix Bio-Rad 170-8862 Stored frozen
Cocaine Sigma-Aldrich C5776 DEA License Required
Procaine Sigma-Aldrich P9879 Substitute for Cocaine
Anti-Flag Antibody Sigma-Aldrich F1804-1mg

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Xiao, Y., Lai, R. Y., Plaxco, K. W. Preparation of electrode-immobilized, redox-modified oligonucleotides for electrochemical DNA and aptamer-based sensing. Nat. Protocols. 2, 2875-2880 (2007).
  2. Ricci, F., Lai, R. Y., Heeger, A. J., Plaxco, K. W., Sumner, J. J. Effect of Molecular Crowding on the Response of an Electrochemical DNA Sensor. Langmuir. 23, 6827-6834 (2007).
  3. White, R. J., Phares, N., Lubin, A. A., Xiao, Y., Plaxco, K. W. Optimization of Electrochemical Aptamer-Based Sensors via Optimization of Probe Packing Density and Surface Chemistry. Langmuir. 24, 10513-10518 (2008).
  4. Lubin, A. A., Vander Stoep Hunt, B., White, R. J., Plaxco, K. W. Effects of Probe Length, Probe Geometry, and Redox-Tag Placement on the Performance of the Electrochemical E-DNA Sensor. Analytical Chemistry. 81, 2150-2158 (2009).
  5. Lubin, A. A., Plaxco, K. W. Folding-Based Electrochemical Biosensors: The Case for Responsive Nucleic Acid Architectures. Accounts of Chemical Research. 43, 496-505 (2010).
  6. Lubin, A. A., Lai, R. Y., Baker, B. R., Heeger, A. J., Plaxco, K. W. Sequence-Specific, Electronic Detection of Oligonucleotides in Blood, Soil, and Foodstuffs with the Reagentless, Reusable E-DNA Sensor. Analytical Chemistry. 78, 5671-5677 (2006).
  7. Cash, K. J., Ricci, F., Plaxco, K. W. An Electrochemical Sensor for the Detection of Protein?Small Molecule Interactions Directly in Serum and Other Complex Matrices. Journal of the American Chemical Society. 131, 6955-6957 (2009).
  8. Baker, B. R. An Electronic, Aptamer-Based Small-Molecule Sensor for the Rapid, Label-Free Detection of Cocaine in Adulterated Samples and Biological Fluids. Journal of the American Chemical Society. 128, 3138-3139 (2006).
  9. Ferapontova, E. E., Olsen, E. M., Gothelf, K. V. An RNA Aptamer-Based Electrochemical Biosensor for Detection of Theophylline in Serum. Journal of the American Chemical Society. 130, 4256-4258 (2008).
  10. Stojanovic, M. N., Landry, D. W. Aptamer-Based Colorimetric Probe for Cocaine. Journal of the American Chemical Society. 124, 9678-9679 (2002).
  11. Stojanovic, M. N., Prada, P. de, Landry, D. W. Aptamer-Based Folding Fluorescent Sensor for Cocaine. Journal of the American Chemical Society. 123, 4928-4931 (2001).
  12. Cash, K. J., Heeger, A. J., Plaxco, K. W., Xiao, Y. Optimization of a Reusable, DNA Pseudoknot-Based Electrochemical Sensor for Sequence-Specific DNA Detection in Blood Serum. Analytical Chemistry. 81, 656-661 (2009).
  13. Xiao, Y. An Electrochemical Sensor for Single Nucleotide Polymorphism Detection in Serum Based on a Triple-Stem DNA Probe. Journal of the American Chemical Society. 131, 15311-15316 (2009).
  14. Zuo, X., Xiao, Y., Plaxco, K. W. High Specificity, Electrochemical Sandwich Assays Based on Single Aptamer Sequences and Suitable for the Direct Detection of Small-Molecule Targets in Blood and Other Complex Matrices. Journal of the American Chemical Society. 131, 6944-6945 (2009).
  15. Xia, F. An Electrochemical Supersandwich Assay for Sensitive and Selective DNA Detection in Complex Matrices. Journal of the American Chemical Society. 132, 14346-14348 (2010).
  16. Patterson, A. Using Triplex-Forming Oligonucleotide Probes for the Reagentless, Electrochemical Detection of Double-Stranded DNA. Analytical Chemistry. 82, 9109-9115 (2010).
  17. Ferguson, B. S. Integrated Microfluidic Electrochemical DNA Sensor. Analytical Chemistry. 81, 6503-6508 (2009).
  18. Swensen, J. S. Continuous, Real-Time Monitoring of Cocaine in Undiluted Blood Serum via a Microfluidic, Electrochemical Aptamer-Based Sensor. Journal of the American Chemical Society. 131, 4262-4266 (2009).
Изготовление Электрохимические ДНК-биосенсоры для Безреагентная Обнаружение нуклеиновых кислот, белков и малых молекул
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Rowe, A. A., White, R. J., Bonham, A. J., Plaxco, K. W. Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules. J. Vis. Exp. (52), e2922, doi:10.3791/2922 (2011).More

Rowe, A. A., White, R. J., Bonham, A. J., Plaxco, K. W. Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules. J. Vis. Exp. (52), e2922, doi:10.3791/2922 (2011).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter