A carbon nanotube reporter of microRNA hybridization events in vivo

碳纳米管 寡核苷酸 材料科学 分子信标 纳米技术 小RNA 体内 化学 DNA 生物 基因 生物化学 遗传学
作者
Jackson D. Harvey,Prakrit V. Jena,Hanan Baker,Gül H. Zerze,R. T. Williams,Thomas V. Galassi,Daniel Roxbury,Jeetain Mittal,Daniel A. Heller
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Springer Nature]
卷期号:1 (4) 被引量:155
标识
DOI:10.1038/s41551-017-0041
摘要

MicroRNAs and other small oligonucleotides in biofluids are promising disease biomarkers, yet conventional assays require complex processing steps that are unsuitable for point-of-care testing or for implantable or wearable sensors. Single-walled carbon nanotubes are an ideal material for implantable sensors, owing to their emission in the near-infrared spectral region, photostability and exquisite sensitivity. Here, we report an engineered carbon-nanotube-based sensor capable of real-time optical quantification of hybridization events of microRNA and other oligonucleotides. The mechanism of the sensor arises from competitive effects between displacement of both oligonucleotide charge groups and water from the nanotube surface, which result in a solvatochromism-like response. The sensor, which allows for detection via single-molecule sensor elements and for multiplexing by using multiple nanotube chiralities, can monitor toehold-based strand-displacement events, which reverse the sensor response and regenerate the sensor complex. We also show that the sensor functions in whole urine and serum, and can non-invasively measure DNA and microRNA after implantation in live mice. A carbon nanotube sensor enables real-time optical quantification of hybridization events of microRNA and other oligonucleotides in vivo and in whole urine and serum.
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