CRISPR-Programmed CuO Nanocatalyst Release for Ultrasensitive Detection of Pathogens in Sterile Body Fluids

化学 互补DNA 核酸 多路复用 分子生物学 检出限 DNA 聚合酶链反应 滚动圆复制 多重位移放大 细菌 杂交探针 脱氧核酶 色谱法 生物化学 聚合酶 基因 生物 DNA提取 遗传学
作者
Jianbo Xiao,Xiumei Hu,Hanren Chen,Bihong Diao,Xing Huang,Lihong Liu
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c05043
摘要

Treatment of sterile body fluids (SBFs) infections is delayed by conventional methods that require up to 72 h to detect pathogens. Here, we present a CRISPR-associated protein 12a (Cas12a)-programmed nanocatalyst release (CNR) method for culture-free diagnostics. To enhance both sensitivity and coverage, three starter DNA (sDNA)-complementary DNA (cDNA) probe pairs were designed for conserved regions and additional three pairs for variable regions of bacterial 16S or fungal 18S rRNA. Upon target recognition, cDNA undergoes strand displacement, releasing sDNA to activate Cas12a. The activated Cas12a cleaves copper oxide nanoparticle (CuONPs)-loaded magnetic probes, releasing tandem CuONPs. Upon acid dissolution, each CuONP generates Cu2+ ions that catalyze the oxidation of 3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine (TMB), producing a visible colorimetric signal. This quadruple signal amplification strategy integrates high-copy rRNA targets, multi-cDNA recognition, Cas12a-mediated continuous release of tandem CuONPs, and Cu2+-driven chromogenic amplification. This nucleic acid amplification-free assay detects pathogens at 0.69 CFU mL–1 in original SBFs samples (after 10-fold centrifugation) within 70 min. In 64 clinical samples, it achieved 100% sensitivity and 100% specificity versus culture. Notably, one culture-negative but clinically confirmed case was correctly identified. Overall, the CNR method offers a rapid, ultrasensitive, and accessible diagnostic solution for resource-limited settings.
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