Проектирование и разработка аптамеров-Gold наночастицу Based колориметрического анализа для В полевых условиях приложений
Summary
Дизайн и разработка анализа наночастиц колориметрического аптамеры золота для обнаружения малых молекул для в полевых условиях применения был рассмотрен. Кроме того, смарт-устройство колориметрический приложение (приложение) было подтверждено и была создана для использования в полевых условиях длительного хранения анализа.
Abstract
Дизайн и разработка аптамеров-наночастиц золота (AuNP) колориметрического анализа для обнаружения малых молекул для в полевых условиях применения был рассмотрен. Целевая селективный AuNP цвета Анализы, основанные были разработаны в контролируемых доказательство правильности концепции лабораторных условиях. Тем не менее, эти схемы не оказывали до точки отказа, чтобы определить их практическое использование вне лабораторных условиях. Эта работа описывает общий подход для проектирования, разработки и устранения неисправностей в колориметрического анализа аптамеров-AuNP для малых аналитов молекулы и с использованием анализа для установки в полевых условиях. Анализ является предпочтительным, так как адсорбированные аптамеры пассивации поверхности наночастиц и обеспечивают средства для уменьшения и устранения ложных положительных ответов на нецелевых аналитов. Переходить эта система для практического использования требуется определения не только срок годности анализа аптамеров-AuNP, но создание методов и процедур для расширения долгосрочного хранения capabilностями. Кроме того, один из признанных проблем с колориметрического считывания является нагрузку на аналитиков, чтобы точно определить, часто тонкие изменения в цвете. Чтобы уменьшить ответственность на аналитиков в области, протокол цветовой анализ был разработан для выполнения цветовой идентификации обязанностей без необходимости выполнения этой задачи по лабораторным оборудованием класса. Способ создания и тестирования протокола анализа данных описан. Однако, чтобы понять и влиять на разработку адсорбированных аптамеров анализов, взаимодействия, связанные с аптамеров, цели и AuNPs требуют дальнейшего изучения. Полученные знания могут привести к покрой аптамеры для улучшенной функциональности.
Introduction
Колориметрия является одним из старейших методов, используемых в аналитической химии. Для реализации этой технологии, качественное или количественное определение аналита производится на основании производства окрашенного соединения 1. Как правило, цветные анализы используют реагенты, которые испытывают сдвиг цвета в присутствии вида аналита, что приводит к наблюдаемому или обнаруживаемое изменение цвета в спектре видимого света. Колориметрические был использован в обнаружении целей , начиная от атомов, ионов и малых молекул до сложных биологических молекул , таких как дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), пептидов и белков 2-4. За последние два десятилетия, наноматериалы революцию в области анализов обнаружения, особенно в анализах на основе цвета 5-6. Сочетание уникальных химических и физических свойств наноматериалов с элементом целевой селективного распознавания, такие как антитела, олигонуклеотидных аптамеров или пептидные аптамеры, привело к всплеску яп проектирование и разработка колориметрических анализов обнаружения 7.
Наночастицы металлов имеют подтвержденную зависящее от размера, свойство изменения цвета, которое было использовано при разработке многочисленных колориметрических анализов. Наночастицы золота (AuNPs) представляют особый интерес из – за отличительного красного к синему сдвига цвета, когда дисперсный раствор частиц индуцируется агрегировать 8, как правило , за счет точного добавления соли. Способность контролировать переход от дисперсного (красный) с совокупными (синий) государств привело к созданию колориметрических датчиков для ионной, небольшой молекулярной, пептидов, белков и клеточных мишеней 2-4,9. Многие из этих датчиков используют аптамеров в качестве мотива цель распознавания.
Аптамеры представляют собой ДНК или рибонуклеиновой кислоты (РНК) , молекулы , выбранные из случайного пула 10 12 -10 15 различных последовательностей 10-11. Процесс отбора определяет целевые повторнокогнитивные элементы с аффинностью связывания в режиме низкой наномолярной, и Систематическое выделение лигандов экспоненциальным обогащением (SELEX) является наиболее широко известным процессом 12-13. Преимущества аптамеры на основе олигонуклеотидных для приложений зондирования включают в себя простоту синтеза, управляемую химическую модификацию и химическую стабильность 14-15.
Один из подходов к созданию колориметрического анализа сочетает в себе наноматериалы с элементами распознавания, состоит из сочетания этих двух видов через физической адсорбции ДНК-аптамеров молекул до AuNP поверхностей. С помощью связывания мишень-аптамеров, аптамер испытывает структурные изменения , которые изменяют 16-18 взаимодействие аптамеров с поверхностью AuNP, что приводит к индуцируемым красного к синему цвета реакции 19 с добавлением соли. Эта удивительная особенность AuNPs обеспечивает наблюдаемый колориметрического механизм реагирования для устройств аптамеров основе, которые могут быть использованы для снятиязнак колориметрических анализов для различных аналитов.
Цветные анализы, разработанные с использованием нековалентных, физически адсорбированных аптамеры ДНК на AuNP поверхностях имеют клеймо быть слабым датчик платформы из-за проблем с надежностью, склонность к недостаточности вне контролируемых лабораторных условиях, а также отсутствие информации, доступной для использования в практической настройки. Тем не менее, на основе аптамеров-AuNP колориметрический анализ представляет интерес из-за простоты эксплуатации и наблюдаемой реакции цвета. Целью данной работы является создание протокола для проектирования, разработки, эксплуатации, уменьшение поверхности, связанных с ложной положительной реакции, а также длительного хранения ДНК-AuNP на основе колориметрического анализа с использованием кокаина в качестве репрезентативного аналита. Кроме того, мы предложили эту адсорбированный аптамеров анализа подход (Рисунок 1) как выгодно благодаря простоте и легкости в использовании , что привело к уменьшению числа стадий , чем при традиционном подходе для этих аптамеров-AuNP попкуAYS. Для этого теста, аптамер впервые был добавлен к AuNPs, которые позволяют адсорбироваться на поверхности в течение длительного периода времени. Дополнительным преимуществом такого подхода является сокращение реакции на нецелевых молекул аналита, связанных с поверхностными взаимодействий AuNP. Тем не менее, снижение ложных срабатываний ответ был за счет чувствительности анализа. Поэтому баланс между защитой поверхности и аналита доступности необходимо для поддержания нормальной функции анализа. Кроме того, основным недостатком анализа цветовых анализов с помощью иных средств, чем при помощи приборов является то, что результаты часто субъективны и открыты для интерпретации от аналитика к аналитику, в частности, при попытке дифференцировать тонкие различия в цвете. С другой стороны , существует целый ряд проблем , с возможностью создания на основе Instrumentation Laboratory полезной вне лаборатории, такие как наличие силы, практичности с портативностью и т.д. В этой работе, протокол анализа цвета был разработан для море портативность и устранить некоторые из догадок , обычно связанных с интерпретацией цвета на основе анализа 20-21. По сравнению с предыдущими подходами, это усилие стремится подтолкнуть этих анализов в свои пределы для применений, помимо лабораторных условиях.
Protocol
Representative Results
Discussion
За последнее десятилетие, на основе наночастиц колориметрические анализы были разработаны для обнаружения целей , включают небольшие молекулы, ДНК, белки и клетки 2-4. Анализы, которые используют ДНК-аптамеров с наночастицами были все больший интерес. Как правило, эти колориметри?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was partially funded by the Air Force Office of Scientific Research and the Assistant Secretary of Defense for Research and Engineering (Defense Biometrics and Forensics Office). JES participation was supported by a National Research Council Research Associateship Award at Air Force Research Laboratory.
Materials
| Gold(III) chloride hydrate | Sigma | 254169 | 99.999% purity is important and solutions were made fresh every time |
| Sodium Citrate Dihydrate | Sigma | W302600-1KG-K | We have found the manufacturer greatly affects AuNP assays, and solutions were made fresh every time |
| Synergy | Bio-TEK | HT | Any absorbance spectrometer will work, but a platereader provides multiple sample analysis |
| 4-(2-hydroxyethyl)piperazine-1-ethanesulfonic acid (HEPES) Buffer, 1 M sterilized | Amresco | J848 | Any sterilized brand will work |
| Corning, 250 mL Filter System, 0.22 µm cellulose acetate | Fisher | 430767 | Other membranes have been found to remove the AuNPs |
| UV Spectrophophotometer | Varian | Cary 300 | Any absorbance spectrometer will work |
| Magnesium Chloride Hexahydrate | Fluka | 63068 | ≥98% any brand will work |
| DNA | IDT | Custom | DNA was purified with a desalting column, higher purification techniques can be used |
| Procaine Hydrochloride | ACROS | AC20731-1000 | 99% stocks of 1 mg/mL in methanol were prepared |
| Hydrochloric Acid | Fisher | A144S-500 | 36.5-38.0% w/w other brands will work |
| Cocaine Hydrochloride | Lipomed | COC-156-HC-1LM | We have found the manufacturer greatly affects AuNP assays |
| Nitric Acid | Fisher | A509-SK212 | 65% w/w other brands will work |
| Sodium Chloride Solution, 5 M bioreagent grade | Sigma | S5150-1L | Sterile solutions made from solid will work |
| Diethyl Pyrocarbonate | Sigma | D5758-25 mL | ≥97% any brand will work |
| Ecgoninemethylester Hydrochloride | Lipomed | COC-205-HC-1LM | We obtained the EME control from the same manufacturer as the cocaine target |
| Microcentrifuge Tubes, Axygen Scientific, nonsterile, 1.7mL | VWR | 10011-722 | We have found the manufacturer greatly affects AuNP assays, and the tubes were autoclaved in house |
| nuclease free water | |||
| methanol |
Riferimenti
- Housecroft, C., Constable, E. . Chemistry: an introduction to organic, inorganic, and physical chemistry. , 349-353 (2006).
- Bunka, D., Stockley, P. Aptamers come of age-at last. Nat. Rev. Microbiol. 4 (8), 588-596 (2006).
- Mayer, G. The chemical biology of aptamers. Angew. Chem. 48 (15), 2672-2689 (2009).
- Medley, C., Smith, J., Tang, Z., Wu, Y., Bamrungsap, S., Tan, W. Gold Nanoparticle-Based Colorimetric Assay for the Direct Detection of Cancerous Cells. Anal. Chem. 80 (4), 1067-1072 (2008).
- Giljohann, D., Seferos, D., Daniel, W., Massich, M., Patel, P., Mirkin, C. Gold nanoparticles for biology and medicine. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (19), 3280-3294 (2010).
- Iliuk, A., Hu, L., Tao, W. Aptamer in bioanalytical applications. Anal. Chem. 83 (12), 4440-4452 (2011).
- Smith, J., Griffin, D., Leny, J., Hagen, J., Chávez, J., Kelley-Loughnane, N. Colorimetric detection with aptamer-gold nanoparticle conjugates coupled to an android-based color analysis application for use in the field. Talanta. 121, 247-255 (2014).
- Alivasatos, A., et al. Organization of nanocrustal molecules using DNA. Nature. 382, 609-611 (1996).
- Wang, L., Liu, X., Song, S., Fan, C. Unmodified gold nanoparticles as a colorimetric probe for potassium DNA aptamers. Chem. Commun. (36), 3780-3782 (2006).
- Liu, J., Lu, Y. Fast colorimetric sensing of adenosine and cocaine based on a general sensor design involving aptamers and nanoparticles. Angew. Chem. 118 (1), 96-100 (2006).
- Pavlov, V., Xiao, Y., Shlyahovsky, B., Willner, I. Aptamer-functionalized Au nanoparticles for the amplified optical detection of thrombin. J. Am. Chem. Soc. 126 (38), 11768-11769 (2004).
- Mayer, G. The chemical biology of aptamers. Angew. Chem. Int. Ed. 48 (15), 2672-2689 (2009).
- Hermann, T., Patel, D. Adaptive recognition by nucleic acid aptamers. Science. 287 (5454), 820-825 (2000).
- Lee, J., Stovall, G., Ellington, A. Aptamer therapeutics advance. Curr. Opin. Chem. Biol. 10 (3), 282-289 (2006).
- Song, S., Wang, L., Li, J., Zhao, J., Fan, C. Aptamer-based biosensors. TrAC. 27 (2), 108-117 (2008).
- Wei, H., Li, B., Wang, E., Dong, S. Simple and sensitive aptamer-based colorimetric sensing of protein using unmodified gold nanoparticles. Chem. Commun. (36), 3735-3737 (2007).
- Zheng, Y., Wang, Y., Yang, X. Aptamer-based colorimetric biosensing of dopamine using unmodified gold nanoparticles. Sensors and Actuators B. 156 (1), 95-99 (2011).
- Chávez, J., MacCuspie, R., Stone, M., Kelley-Loughnane, N. Colorimetric detection with aptamer-gold nanoparticle conjugates: effect of aptamer length on response. J. Nanopart. Res. 14 (10), 1-11 (2012).
- Neves, M., Reinstein, O., Johnson, P. Defining a stem length-dependent binding mechanism for the cocaine-binding aptamer. A combined NMR and calorimetry study. Biochimica. 49 (39), 8478-8487 (2010).
- Li, H., Rothberg, L. Label-Free Colorimetric Detection of Specific Sequences in Genomic DNA Amplified by the Polymerase Chain Reaction. J. Am. Chem. Soc. 126 (35), 10958-10961 (2004).
- Li, H., Rothberg, L. Colorimetric detection of DNA sequences based on electrostatic interactions with unmodified gold nanoparticles. Proc. Natl. Acad. Sci. 101 (39), 14036-14039 (2004).
- Smith, J., Medley, C., Tang, Z., Shangguan, D., Lofton, C., Tan, W. Aptamer-Conjugated Nanoparticle for the Collection and Detection of Multiple Cancer Cells. Anal. Chem. 79 (8), 3075-3082 (2007).
- Martin, J., Chávez, J., Chushak, Y., Chapleau, R., Hagen, J., Kelley-Loughnane, N. Tunable stringency aptamer selection and gold nanoparticle assay for detection of cortisol. Anal. Bioanal. Chem. 406 (19), 4637-4647 (2014).
- Shen, L., Hagen, J., Papautsky, I. Point-of-care colorimetric detection with a smartphone. Lab on a Chip. 12 (21), 4240-4243 (2012).
- Choodum, A., Kanatharana, P., Wongniramaikul, W., NicDaeid, N. Rapid quantitative colourimetric tests for trinitrotoluene (TNT) in soil. Forensic. Sci. Int. 222 (1), 340-345 (2012).
