Integrating CRISPR-Cas12a with a crRNA-Mediated Catalytic Network for the Development of a Modular and Sensitive Aptasensor

反式激活crRNA 清脆的 适体 核酸 计算生物学 合成生物学 模块化设计 基因组编辑 化学 纳米技术 生物 组合化学 计算机科学 遗传学 生物化学 基因 材料科学 操作系统
作者
Xiaojia Shu,Decai Zhang,Xingrong Li,Qingyuan Zheng,Xiaoying Cai,Shijia Ding,Yurong Yan
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:11 (8): 2829-2836 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00224
摘要

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas12a, which exhibits excellent target DNA-activated trans -cleavage activity under the guidance of a programmable CRISPR RNA (crRNA), has shown great promise in next-generation biosensing technology. However, current CRISPR-Cas12a-based biosensors usually improve sensitivity by the initial nucleic acid amplification, while the distinct programmability and predictability of the crRNA-guided target binding process has not been fully exploited. Herein, we, for the first time, propose a modular and sensitive CRISPR-Cas12a fluorometric aptasensor by integrating an enzyme-free and robust crRNA-mediated catalytic nucleic acid network, namely, Cas12a-CMCAN, in which crRNA acts as an initiator to actuate cascade toehold-mediated strand displacement reactions (TM-SDRs). As a proof of concept, adenosine triphosphate (ATP) was selected as a model target. Owing to the multiturnover of CRISPR-Cas12a trans -cleavage and the inherent recycling amplification network, this method achieved a limit of detection value of 0.16 μM (20-fold lower than direct Cas12a-based ATP detection) with a linear range from 0.30 to 175 μM. In addition, Cas12a-CMCAN can be successfully employed to detect ATP levels in diluted human serum samples. Considering the simplicity, sensitivity, and easy to tune many targets by changing aptamer sequences, the Cas12a-CMCAN sensing method is expected to offer a heuristic idea for the development of CRISPR-Cas12a-based biosensors and unlock its potential for general and convenient molecule diagnostics.
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