Quantum Dot-Based Molecular Beacons for Quantitative Detection of Nucleic Acids with CRISPR/Cas(N) Nucleases

分子信标 费斯特共振能量转移 核酸 肽核酸 清脆的 核酸酶 DNA 化学 核酸定量 荧光团 纳米技术 荧光 材料科学 寡核苷酸 生物化学 物理 基因 量子力学
作者
Christopher M. Green,Joseph R. Spangler,Kimihiro Susumu,David A. Stenger,Igor L. Medintz,Sebastián A. Dı́az
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 20693-20704 被引量:76
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c07749
摘要

Strategies utilizing the CRISPR/Cas nucleases Cas13 and Cas12 have shown great promise in the development of highly sensitive and rapid diagnostic assays for the detection of pathogenic nucleic acids. The most common approaches utilizing fluorophore-quencher molecular beacons require strand amplification strategies or highly sensitive optical setups to overcome the limitations of the readout. Here, we demonstrate a flexible strategy for assembling highly luminescent and colorimetric quantum dot-nucleic acid hairpin (QD-HP) molecular beacons for use in CRISPR/Cas diagnostics. This strategy utilizes a chimeric peptide-peptide nucleic acid (peptide-PNA) to conjugate fluorescently labeled DNA or RNA hairpins to ZnS-coated QDs. QDs are particularly promising alternatives for molecular beacons due to their greater brightness, strong UV absorbance with large emission offset, exceptional photostability, and potential for multiplexing due to their sharp emission peaks. Using Förster resonance energy transfer (FRET), we have developed ratiometric reporters capable of pM target detection (without nucleotide amplification) for both target DNA and RNA, and we further demonstrated their capabilities for multiplexing and camera-phone detection. The flexibility of this system is imparted by the dual functionality of the QD as both a FRET donor and a central nanoscaffold for arranging nucleic acids and fluorescent acceptors on its surface. This method also provides a generalized approach that could be applied for use in other CRISPR/Cas nuclease systems.
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