Breaking the stoichiometric limit of padlock probe ligation via catalytic hairpin assembly-and-cyclization

环介导等温扩增 脱氧核酶 滚动圆复制 结扎 生物 检出限 底漆(化妆品) 核酸 组合化学 催化作用 生物物理学 连接酶连锁反应 化学计量学 邻近连接试验 计算生物学 DNA连接酶 DNA 寡核苷酸 稳健性(进化) 劈开 生物化学 分子生物学 基质(水族馆) 核糖核酸 核酸热力学 生物系统 同种类的
作者
Fanming Meng,Yuting Ma,Mengqing Sun,Bin Tian,Ziwen Zhou,Zhuxin Dong,Bo Tian
出处
期刊:Nucleic Acids Research [Oxford University Press]
卷期号:54 (6)
标识
DOI:10.1093/nar/gkag277
摘要

Rolling circle amplification (RCA) is a powerful isothermal nucleic acid amplification technique prized for its robustness and simplicity. However, conventional RCA-based detection is fundamentally limited by the stoichiometry of padlock probe ligation, wherein each target molecule ideally yields only one circular template. Existing strategies to improve ligation efficiency often sacrifice key benefits of RCA or focus on specificity rather than catalytic turnover. Herein, we developed catalytic hairpin assembly-and-cyclization (CHAC), a homogeneous cascade that integrates catalytic hairpin assembly with enzymatic ligation, enabling each target to initiate multiple circularizations and breaking the 1:1 stoichiometric limit. As the target serves only to initiate catalytic assembly without acting as the substrate for ligation or the primer for RCA, CHAC overcomes constraints on target identity and topology. Applied to detection of the mpox (monkeypox) virus E9L gene using a single-tube format (incorporating detection probe-modified magnetic nanoparticles) with real-time optomagnetic sensing, CHAC-RCA achieved detection limits of 0.3-2 fM (depending on amplification duration) within a total assay time of ~2-2.5 h, representing at least a 100-fold improvement over conventional ligation-RCA. The assay showed high specificity, robustness, and clinical concordance with quantitative PCR, establishing CHAC-RCA as a versatile and efficient platform for ultrasensitive nucleic acid detection.
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