Development of a Cell-Free, Toehold Switch-Based Biosensor for Rapid and Sensitive Zika Virus Detection

化学 生物传感器 寨卡病毒 病毒 纳米技术 病毒学 生物化学 生物 材料科学
作者
Yongbin Chen,Wenhao Xia,Ziwei Pan,Fuping Lu,Yihan Liu,Mingfeng Cao,Ning He
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:97 (6): 3486-3494 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.4c05808
摘要

The need for rapid and sensitive diagnostic tools is emphasized by the significant impact of infectious diseases on global health. This study presents a cell-free biosensor utilizing toehold switch technology, combined with nucleic acid sequence-based amplification (NASBA), for high specificity and sensitivity in Zika virus detection. The toehold switch, a denovo-designed regulator of gene expression, forms the crux of our detection system, offering a versatile and programmable approach to nucleic acid–based diagnostics. The cell-free system based on Escherichia coli extract served as the platform for sensor expression, enabling real-time monitoring and optimization of the reaction conditions for minimal background leakage and maximal activation efficiency. The performance of the toehold switch sensor was rigorously evaluated through a series of tests, revealing that switch S23 demonstrated the most promising activation effects and sequence specificity. Notably, the integration of NASBA technology significantly enhanced the detection sensitivity, achieving a remarkable limit of 2.9 aM, thus addressing the intrinsic limitation of toehold switches in detecting low-abundance targets. The detection system’s low cost, simplicity, and adaptability to various pathogens render it a valuable asset in the global health toolkit. This study presents a significant advancement in the field of synthetic biology, offering a robust, sensitive, and rapid diagnostic solution for Zika virus detection.
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