In-alan uygulamaları için tasarım ve Aptamer-Altın Nanopartikül Tabanlı Kolorimetrik Tahliller Gelişimi
Summary
in-the-alanın uygulamaları için küçük moleküllerin tespiti için aptamer-altın nanoparçacık kolorimetrik testinin tasarım ve geliştirme incelenmiştir. Buna ek olarak, akıllı aygıt kolorimetrik bir uygulama (uygulama) doğrulandı ve analiz uzun süreli depolama alanında kullanım için kurulmuştur.
Abstract
in-the-alanın uygulamaları için küçük moleküllerin tespiti için aptamer-altın nanopartikülüne (AuNP) kolorimetrik tahlil tasarım ve geliştirme incelenmiştir. Hedef seçici AuNP bazlı renk deneyleri kontrollü proof-of-concept laboratuvar ortamlarında geliştirilmiştir. Ancak, bu planlar laboratuvar ortamlarında ötesinde pratik kullanımını belirlemek için başarısızlık bir noktaya uyguladığı edilmemiştir. Bu çalışma küçük molekül analit ve in-the-alanın ayarları için deney kullanılarak bir aptamer-AuNP kolorimetrik tahlil tasarlamak, geliştirmek ve sorunları gidermek için genel bir yaklaşım açıklanmaktadır. Adsorbe aptamerler nanoparçacık yüzeyleri pasifleştirilmesi ve azaltmak ve hedef olmayan analitlerle yalancı pozitif ortadan kaldırmak için bir yol sağlar, çünkü deney avantajlıdır. pratik kullanımları için bu sistem aptamer-AuNP testinin sadece raf ömrünü tanımlayan gerekli geçiş, ancak uzun süreli depolama Capabil uzatmak için yöntem ve prosedürlerin oluşturulmasıities. Ayrıca, kolorimetrik okuma ile tanınan kaygılardan biri doğru renk genellikle ince değişiklikleri belirlemek için analistler yerleştirilen yüktür. alanda analistlerin sorumluluk azaltmak için, bir renk analizi protokolü laboratuar sınıfı ekipman bu görevi gerçekleştirmek için gerek kalmadan renk tanımlama görevlerini yerine getirmek üzere tasarlanmıştır. Veri analizi protokolü ve test edilmek üzere bir yöntem tarif edilmektedir. Ancak anlamak ve adsorbe aptamer deneyleri tasarımını etkilemek için, etkileşimler aptamer hedef ile ilişkili ve AuNPs daha fazla çalışmaya ihtiyaç. Elde edilen bilgi işlevsellik sağlamak için aptamers terzilik yol açabilir.
Introduction
Renkölçüm analitik kimyada kullanılan en eski tekniklerden biridir. Bu teknik için, analitin niteliksel ve niceliksel belirlenmesi renkli bir bileşik 1 'in üretimi göre imal edilmektedir. Tipik haliyle, renk deneyleri, görülebilir ışık spektrumunun gözlenebilir bir ya da saptanabilir bir renk değişimi ile sonuçlanan, analit türlerinin varlığında, bir renk değişimine deneyim reaktif maddeleri. Kolorimetre örneğin deoksiribonükleik asitler (DNA), peptidler ve proteinler 2-4 gibi kompleks biyolojik moleküllere Atomlar, iyonlar, moleküller ve küçük arasında değişen hedeflerin tespiti kullanılmıştır. Son iki yıldır, nanomateryaller özellikle renk tabanlı deneyleri 5-6 ile, algılama deneyleri alanında devrim var. bu antikorların, oligonükleotid aptamers veya peptid aptamers gibi bir hedef seçici tanıma elemanı ile nanomateryallerin benzersiz kimyasal ve fiziksel özelliklerini birleştiren, diriliş yol açmıştır iTasarım ve kolorimetrik tespit deneyleri 7 gelişimi n.
Metal nanopartiküller sayısız kolorimetrik testlerin tasarımında istismar edilmiş bir gösterdi boyut bağımlı renk değişimi özelliği var. Altın nano parçacıklar (AuNPs) nedeniyle parçacıkların dağılmış çözeltisi, tipik olarak tuz hassas eklenmesiyle, 8 toplamak için uyarılan bir Kırmızı-to-mavi renk kayması, özellikle ilgi konusudur. Birleştirilmiş (mavi) Devletlere dağılmış (kırmızı) geçişi kontrol etme yeteneği, iyonik, düşük moleküler, peptid, protein için kolorimetrik sensörler ve hücresel hedeflerle, 2-4,9 yaratılmasına yol açmıştır. Bu sensörlerin çoğu hedef tanıma motifi olarak aptamers kullanır.
Aptamerler 10 12 -10, 15 farklı dizileri 10-11 rastgele olarak seçilen DNA veya ribonükleik asit (RNA) moleküllerdir. Seçim süreci hedef yeniden tanımlarbiliş düşük nanomolar rejiminde bağlanma afiniteleri ile elementler ve üstel zenginleşme (SELEX) ile ligandların Sistematik Gelişimi en çok bilinen işlem 12-13. Algılama için oligonükleotid bazlı aptamers avantajları sentez kolaylığı, kontrol kimyasal modifikasyonunu ve kimyasal stabilitesini 14-15 içerir.
kolorimetrik tahlil oluşturmak için bir yaklaşım, tanıma elemanları ile nanomalzemeleri birleştiren AuNP yüzeylere DNA aptamer moleküllerinin fiziksel adsorpsiyon yoluyla bu iki tür birleştirme oluşur. Hedef aptamerin bağlanarak, aptamer tuzu eklenmesi ile bir uyarılabilir kırmızıdan mavi renk tepki 19 neden AuNP yüzeyi ile aptamer etkileşimini değiştiren bir yapısal değişim 16-18 karşılaşır. AuNPs bu şaşırtıcı özelliği de kullanılabilir aptamer tabanlı cihazlar için gözlemlenebilir kolorimetrik tepki mekanizması sağlarFarklı analitler için kolorimetrik tahlilleri imzalamak.
AuNP yüzeylerde kovalent olmayan, fiziksel olarak adsorbe DNA aptamers kullanılarak tasarlanmış renk deneyleri nedeniyle sağlamlığı, kontrollü laboratuvar ortamlarında dışında başarısızlık için bir eğilimi ve pratik kullanıma hazır bilgi eksikliği ile ilgili sorunlar için zayıf sensör platformu olma stigma var ayarlar. Ancak, aptamer-AuNP tabanlı kolorimetrik tahlil nedeniyle çalışma ve gözlemlenebilir renk yanıtı basitlik ilgi oldu. Bu çalışmanın amacı, temsilcisi analit olarak kokain kullanan DNA AuNP bazlı kolorimetrik testlerin tasarımı, geliştirilmesi, işletilmesi, yüzeyin azalması ile ilgili yanlış pozitif yanıt ve uzun süreli depolama için bir protokol sağlamaktır. Ayrıca, nedeniyle bu aptamer-AuNP eşek için geleneksel yaklaşıma göre daha az adımda sonuçlandı kullanım kolaylığı ve kullanım kolaylığı avantajlı olarak bu adsorbe aptamer tahlil yaklaşımı (Şekil 1) önerdiays. Bu tahlil için, aptamer ilk kez bir süre için yüzeye adsorbe bırakıldı AuNPs ilave edildi. Bu yaklaşıma ilave bir avantajı AuNP yüzey etkileşimleri ile ilişkili olmayan bir hedef analit molekülleri yanıtın bir azalma oldu. Ancak, yanlış pozitif yanıt azalma tahlil duyarlılık pahasına oldu. Bu nedenle yüzey koruma ve analit erişilebilirlik arasında bir denge Uygun test fonksiyonunu korumak için gereklidir. Dahası, içinden renk deneyleri analiz önemli bir kusur renkte ince farklılıkları ayırt etmek için çalışırken, özellikle enstrümantasyon, sonuçlar genellikle sübjektif ve analist-to-analisti yoruma açıktır olmasıdır ile başka anlamına gelir. Tersine, bu işin vb güç durumu, taşınabilirlik ile pratiklik gibi, laboratuar dışında kullanılabilir laboratuar tabanlı enstrümantasyon yapma konularında bir dizi vardır, bir renk analizi protokolü mor için geliştirilene taşınabilirlik ve yaygın renk bazlı analiz yorumlanması 20-21 ile ilişkili bazı tahminler ortadan kaldırmak için. Bir önceki yöntemlere göre, bu çaba laboratuvar ortamlarında ötesinde uygulamalar için kendi sınırları bu testlerin itmek için gayret.
Protocol
Representative Results
Discussion
Geçtiğimiz on yıl içinde, nanopartikül bazlı kolorimetrik analizler hedeflerin saptanması için geliştirilmiştir küçük moleküller, DNA, proteinler ve hücreler 2-4 içerir. nanopartiküller ile DNA aptamers kullanmak Tahliller ilgi kazanmaktadır. Tipik haliyle, bu kolorimetrik analizler AuNPs 9-10'a ilave edilir analit molekülleriyle DNA aptamer karıştırılmasıyla gerçekleştirilir. Ancak, bu analizler kontrollü bir laboratuar ayarları ile proof-of-concept gösterilere ve …
Disclosures
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 |
References
- 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. 생화학. 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).
