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Topology-Gated λExonuclease Enables Amplification-FreeSignal Boosting

化学 Boosting(机器学习) 信号(编程语言) 核酸外切酶 III 生物物理学 生物系统 核酸外切酶 计算生物学 纳米技术 信号处理
作者
Hongmei Feng,Yilong Wang,Jin Zhao,Haiwei Fan,Ting Wu,Jingwen Qu,S C Pan Y.H.Wu,Yi-Xiang Wang,Ziwei Han,Ajuan Liang,Tengfei Xu,Chuanxia Chen,Chunyi Hu,Tao Hu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (30): 32782-32792
标识
DOI:10.1021/jacs.6c11250
摘要

Amplification-free detection remains a fundamental challenge in CRISPR-based RNA diagnostics. Here, we identify a previously unrecognized topological property of λ exonuclease, whereby duplex substrates bearing 5' phosphates at both termini undergo a self-sustained cyclic cleavage-reforming process. This topology-gated behavior enables signal renewal without external amplification. Through systematic biochemical and structural analyses, we elucidate the underlying mechanism and establish λ exonuclease as a topology-driven signal amplifier. Then, we design a topology-gated dumbbell probe that sequesters 5' phosphates within dual RNA hairpin loops. Upon target recognition, CRISPR/Cas13 specifically cleaves the loops, exposing the hidden phosphates and thereby activating the λ exonuclease-mediated cyclic reaction. The resulting cascade, termed Topo-CRISPR (Topology-gated λ exonuclease enables CRISPR amplification-free), achieves attomolar sensitivity within 25 min without preamplification. Applied to clinical samples, Topo-CRISPR enables robust and specific detection of enterovirus RNA, miR-21, and ciR1445, demonstrating performance comparable to RT-qPCR. We further extend the Topo-CRISPR to non-nucleic-acid targets via aptamer-mediated conformational gating. This work uncovers a previously overlooked enzymatic topology, positioning λ exonuclease as a cyclic signal transducer and offering a general framework for ultrasensitive molecular sensing.
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