Enhanced DNA Entropy-Driven Circuit by Locked Nucleic Acids and Simulation-Guided Localization

DNA 核酸 材料科学 生物传感器 熵(时间箭头) 锁核酸 信号(编程语言) 生物系统 纳米技术 生物物理学 计算机科学 化学 生物 生物化学 寡核苷酸 物理 量子力学 程序设计语言
作者
Qiaoni Kou,Jiarui Yang,Lei Wang,Hongyang Zhao,Linghao Zhang,Xin Su
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (40): 47415-47424 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.3c11189
摘要

Signal amplification methods based on DNA molecular interactions are promising tools for detecting various biomarkers in low abundance. The entropy-driven circuit (EDC), as an enzyme-free signal amplification method, has been used in detecting and imaging a variety of biomarkers. The localization strategy can effectively increase the local concentration of the DNA reaction modules to improve the signal amplification effect. However, the localization strategy may also amplify the leak reaction of the EDC, and effective signal amplification can be limited by the unclear structure–function relationship. Herein, we utilized locked nucleic acid (LNA) modification to enhance the stability of the localized entropy-driven circuit (LEDC), which suppressed a 94.6% leak signal. The coarse-grained model molecular simulation was used to guide the structure design of the LEDC, and the influence of critical factors such as the localized distance and spacer length was analyzed at the molecular level to obtain the best reaction performance. The sensitivities of miR-21 and miR-141 detected by a simulation-guided optimal LEDC probe were 17.45 and 65 pM, 1345 and 521 times higher than free-EDC, respectively. The LEDC was further employed for the fluorescence imaging of miRNA in cancer cells, showing excellent specificity and sensitivity. This work utilizes LNA and molecular simulations to comprehensively improve the performance of a localized DNA signal amplification circuit, providing an advanced DNA probe design strategy for biosensing and imaging as well as valuable information for the designers of DNA-based probes.
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