Tetrahedral DNA nanostructure–gated solution-phase CRISPR/Cas12a system for probe immobilization-free, reagent-efficient, and dual-phase electrochemical detection of circulating microRNAs in liquid biopsy

门控 化学 电极 电化学 生物物理学 试剂 检出限 劈理(地质) DNA 纳米技术 寡核苷酸 组合化学 位阻效应 生物传感器 四面体 同种类的 纳米颗粒 液体活检 杂交探针 激活剂(遗传学) 分析物 纳米棒 纳米结构 核酸热力学 毫秒 分子探针 分子生物物理学 A-DNA
作者
Shaohao Chen,Huajuan Ye,Bohan Lin,Dunhao Huang,Yang Chen,Ning Li,Junyang Zhuang,Yong Wei,Ning Xu
出处
期刊:Journal of Nanobiotechnology [BioMed Central]
标识
DOI:10.1186/s12951-026-04936-8
摘要

Liquid-biopsy nucleic acid biomarkers hold strong promise for non-invasive cancer diagnostics, yet their ultralow abundance presents substantial analytical challenges. Conventional electrochemical biosensors rely on complex probe immobilization, whereas emerging homogeneous strategies remain susceptible to matrix interference and require large reaction volumes. Here, we report a probe immobilization-free, reagent-efficient, dual-phase electrochemical platform that integrates solution-phase CRISPR/Cas12a reactions with a tetrahedral DNA nanostructure (TDN)–based interfacial gating mechanism for detecting circulating microRNAs. We found that TDNs extended with a thiolated blocking fragment (BF) impose a pronounced steric gating effect at the electrode–solution interface: the large, rigid TDN architecture prevents intact BF-linked structures from approaching the gold electrode, whereas smaller Cas12a-generated thiolated fragments readily assemble via Au–S interactions. This size-dependent gating transition switches the electrode from an HRP-accessible to an HRP-blocking state, producing a sharply resolved signal decrease that faithfully maps solution-phase cleavage onto an electrochemical readout. Using a target-competitive binding strategy to generate the activator DNA, this interfacial gating mechanism was developed into a robust dual-phase sensing platform driven by CRISPR/Cas12a. Because target recognition and Cas12a-mediated cleavage occur entirely in solution and only the final reaction products contact the electrode, the architecture retains high homogeneous reaction efficiency while avoiding diffusion-governed limitations and eliminating probe immobilization. The 10 µL reaction volume enables substantial reagent savings and strong compatibility with complex matrices. The assay achieves a detection limit of 4.1 aM and accurately quantifies renal cancer–associated circulating miRNA-21 in peripheral blood, yielding results fully consistent with RT-qPCR.
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