Spatial decoupling of recognition and signaling in aptamer switches via tri-strand intermolecular competition

适体 模块化设计 信号转导 解耦(概率) 信号(编程语言) 计算机科学 纳米技术 分子识别 化学 生物系统 细胞信号 计算生物学 DNA 生物 转导(生物物理学) 生物物理学 物理
作者
Albert Zehan Li,Sean W. Stewart,Conrad H T Belzberg,Amani A. Hariri
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:12 (43): eaeh8187-eaeh8187
标识
DOI:10.1126/sciadv.aeh8187
摘要

Despite decades of progress in aptamer engineering, the development of a single, modular signaling architecture capable of transducing target recognition into a measurable output across structurally diverse analytes remains an unmet challenge in biosensing. We report the Competitor Bridge Aptamer (CoBrA) framework: a modular DNA tridomain architecture that functionally isolates target recognition from signal transduction. Unlike conventional sensors where signal output depends on unpredictable aptamer folding, the CoBrA system uses an aptamer switch to trigger a predictable, concerted spatial displacement between signaling end points. By leveraging computational simulations and energetic balancing, we systematically optimized the CoBrA framework to consolidate recognition, displacement, and ratiometric signaling within a single, minimal-component system. Using the dopamine and cortisol aptamers as models, we demonstrate strong thermodynamic and kinetic synchronization between the Cy3 and Cy5 channels across both targets for dopamine (Cy3: K d = 13.3 ± 3.2 μM, τ = 447 ± 31 seconds; Cy5: K d = 24.0 ± 3.3 μM, τ = 537 ± 22 seconds) and cortisol (Cy3: K d = 36.6 ± 3.9 μM, τ = 205 ± 7 seconds; Cy5: K d = 30.7 ± 5.5 μM, τ = 259 ± 4 seconds) in buffer, serum, and artificial cerebrospinal fluid. Because the signaling event is a predictable, geometry-defined change rather than a fluorescence-specific phenomenon, this architecture is in principle adaptable to surface-based transduction modalities, including electrochemical, field-effect transistor, and plasmonic readouts.

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