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利用嵌入式CRISPR生物传感器,设计可穿戴的生物分子检测产品

作者:Magigen来源:Nature

合成生物学利用定制生物电路技术,设计出模块化生物传感器、逻辑电路、输出设备, 实现了对生物系统的全新控制。

与此同时,无线技术、可穿戴电子产品、智能材料和具有新机械、电学和光学特性的功能纤维的最新发明催生了更为复杂的生物传感系统。

无细胞合成生物学反应是独立的非生物化学系统,具有有效转录和翻译所需的所有生物分子组分。

这样的系统可以利用多孔基材、冷冻干燥成耐储存的形式,实现稳健的分布、储存和使用,无需专门的环境或生物防护要求。

可以将以DNA或RNA编码的基因工程电路添加到冻干、无细胞(FDCF,freeze-dried, cell-free )的反应中,这样通过简单的再水化,就可以活化。

目前,人们已经开发出稳健的FDCF系统,用于廉价的纸基核酸诊断,这包括敏感、可编程的CRISPR的核酸传感器,按需生产的抗菌剂、抗体和酶,低成本的教学工具包。

来自美国哈佛大学的Peter Q. Nguyen等人的研究团队,利用嵌入式CRISPR生物传感技术,开发出用于生物分子检测的可穿戴设备。

他们利用FDCF基因电路,结合专门设计的柔性和纺织品基材,创建了实用的可穿戴生物传感器,包括用于小分子、核酸和毒素检测的各种可穿戴FDCF(wFDCF)传感器。

他们使用了基因工程组件,包括toehold switches、转录因子、核糖开关,荧光适体和CRISPR Cas12a蛋白复合物,将传感器集成到柔性多材料基材(例如,有机硅弹性体和纺织品)中。

他们开发的设备有:


用于比色分析的可穿戴设备wFDCF

研究人员将比色基因电路嵌入到纤维素基质中,纤维素基质由柔性、弹性体制成的流体芯吸和密封组件包围。

这些材料一层一层地组装起来,形成与顶部样品入口流体连接的反应室(图1a)。这些装置灵活、有弹性,能够通过毛细管作用迅速吸住飞溅的液体(图1b、c)。

整个装置的钉扎几何形状将样品流体导向封闭的亲水纸网络,从而允许反应再水化(图1c)。

使用lacZβ-半乳糖苷酶操纵子作为水解氯酚红-β-D-半乳吡喃糖苷(CPRG)的电路输出,遇到靶标后出现黄色到紫色的颜色变化。

可穿戴、无细胞的生物合成技术FDFC

图1.   可穿戴、无细胞的生物合成技术FDFC

a、 可穿戴设备逐层组装示意图。每一层都由对皮肤安全的硅橡胶制成。FDCF反应被嵌入放置在每个腔室中的纤维素基质中。

b、 反应装置的弹性(中心)和灵活性(右)。

c、 最外层的入口允许样品进入,通过毛细管作用,样品被迅速吸入反应室。疏水室壁防止通过横向扩散,抑制稀释。

d–g,各种类型的合成生物电路可以在这些可穿戴设备中冷冻干燥

d、本构表达输出

e、用于小分子检测的转录因子调节电路

f、用于核酸传感的toehold switch

g、核糖开关检测各种小分子


基于CRISPR Cas的wFDCF传感器可以直接检测可穿戴设备中的核酸

基于可编程CRISPR和CRISPR-Cas蛋白的传感器与其他生物传感器相比具有许多优点,包括高灵敏度、快速输出、单碱基对分辨率、冻干兼容性和可编程性,可通过可互换的导向RNA(gRNAs)靶向任何DNA或RNA序列。

因此,研究人员将基于CRISPR SHERLOCK传感器集成到荧光wFDCD平台中,可以在可穿戴应用中演示这种检测技术(图3a)。

研究人员分别用CRISPR Cas13a蛋白和Cas12a蛋白检测RNA和DNA。

CRISPR–Cas12a系统的传感机制

图3.


a、 CRISPR–Cas12a系统的传感机制

b、 wFDCF mecA CRISPR传感器暴露于100 fM mecA样品

c、 wFDCF spa CRISPR传感器暴露于100fM spa样品

d、 wFDCF ermA CRISPR传感器暴露于100fM ermA样品

e、 mecA-CRISPR传感器在2.7 fM的情况,检测结果在统计学上是可识别的,相当于每微升10000个双链DNA拷贝。

f、 基于mecA/spa/ermA-CRISPR的多传感器可穿戴设备的正交性演示。

g、 通过比较所有传感器触发组合的信号强度,可以看出,当Cas12a–gRNA传感器遇到其设定的触发dsDNA时,再水化只激活该传感器。

h、 在暴露于特定dsDNA触发物时,基于不同CRISPR的传感器的荧光激活实例。

i、 基于纺织品的可穿戴合成生物传感器的服装级集成。


用于检测呼出气溶胶中SARS-CoV-2新冠病毒的面罩集成传感器

由于咳嗽、说话或正常呼吸,病毒会积聚在口罩内部。研究人员设计了一个包含四个模块化组件的面罩传感器:水化储液器、大表面积样本采集垫、

蜡状µPAD(微流控纸基分析装置)和侧流分析条LFA(图4a,b)。每个模块可以朝向口罩的外部或内部,但收集垫除外,收集垫必须位于口罩内部,面向患者的嘴和鼻子。

毛细作用将任何收集的液体和病毒颗粒从样品收集垫吸住到µPAD,µPAD含冻干溶解和检测组件系列(图4c)。

µPAD方式的使用能够快速成型和优化被动调节的多步反应过程。每个反应区由聚乙烯醇(PVA)分开,形成时间延迟,使得每个反应之间的孵化时间可调,

与一管冻干反应相比,大大提高了传感器的效率。第一个µPAD反应区包含冻干裂解试剂,包括已知的裂解病毒膜的成分,第二个µPAD反应区是一个逆转录-重组酶聚合酶扩增(RT-RPA)反应区,包含一个定制的恒温扩增反应,用于靶向SARS-CoV-2 S基因的非重叠区域。

最后的µPAD反应区包含一个Cas12a-SHERLOCK传感器,该传感器具有用于检测扩增的dsDNA扩增子的优化gRNA。

在SARS-CoV-2衍生的扩增子存在的情况下,激活的Cas12a蛋白能够反式切割共冻干的6-FAM-(TTATTATT)-生物素ssDNA探针。

为了实现简单的比色视觉读数,集成层析侧流条LFA用于检测探针断裂。输出条方向可调,以保持患者的私密性。

CRISPR CAS12传感器口罩结构示意图
图4.

a、 传感器部件示意图。刺穿水泡储液罐导致气流通过芯吸材料,将佩戴者呼吸中收集的病毒颗粒从样本收集区移动到下游冻干反应中,并整合到µPAD装置中。最终的输出是通过一个可视化的LFA条,从外部穿过口罩。

b、 SARS-CoV-2传感器集成在面罩中。图示为A型传感器。

c、 冻干反应的关键步骤,每一步都由PVA延时分离。裂解首先释放SARS-CoV-2 vRNA,RT-RPA接着靶向S基因,在室温下进行信号扩增,最后CRISPR/Cas12a蛋白检测RPA扩增子,导致FAM生物素ssDNA探针的附带裂解。反应流到LFA中,在LFA中可见的能带图案的形成取决于探针的切割。

d、 A型面罩传感器对不同数量的SARS-CoV-2 s基因RNA敏感性。

e、 灵敏度测量LFA输出的代表性图像。

f、 A型面罩传感器的特异性证明,与其他常见循环HCOV的IVT RNA没有交叉反应。

g、 特异性测量LFA输出的代表性图像。

h、 呼吸模拟装置。

i、 B型面罩传感器的敏感性。

j、 模拟机测量的LFA输出的代表性图像。


参考文献

Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection

Peter Q. Nguyen et al.


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G-triplex-CRISPR-Cas12a,一种全新、灵敏的快速检测方法



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