Universal and Programmable Rolling Circle Amplification-CRISPR/Cas12a-Mediated Immobilization-Free Electrochemical Biosensor

化学 清脆的 生物传感器 滚动圆复制 寡核苷酸 反式激活crRNA 脱氧核酶 纳米技术 组合化学 模块化设计 Cas9 适体 计算生物学 聚合酶 分子生物学 计算机科学 生物化学 材料科学 DNA 操作系统 基因 生物
作者
Min Qing,Sheng Liang Chen,Zhe Sun,Yi Fan,Hong Qun Luo,Nian Bing Li
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:93 (20): 7499-7507 被引量:127
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.1c00805
摘要

The development of a sensing platform with high sensitivity and specificity, especially programmability and universal applicability, for the detection of clinically relevant molecules is highly valuable for disease monitoring and confirmation but remains a challenge. Here, for the first time, we introduce the clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas system into an immobilization-free electrochemical biosensing platform for sensitively and specifically detecting the disease-related nucleic acids and small molecules. In this strategy, a modular rolling circle amplification (RCA) is designed to transform and amplify the target recognition event into the universal trigger DNA strand that is used as the trigger to activate the deoxyribonuclease activity of CRISPR/Cas12a for further signal amplification. The cleavage of the target-activated blocker probe allows the methylene blue-labeled reporter probes to be captured by the reduced graphene oxide-modified electrode, leading to an obviously increased electrochemical signal. We only need to simply tune the sequence for target recognition in RCA components, and this strategy can be flexibly applied to the highly sensitive and specific detection of microRNAs, Parvovirus B19 DNA, and adenosine-5′-triphosphate and the calculated limit of detection is 0.83 aM, 0.52 aM, and 0.46 pM, respectively. In addition, we construct DNA logic circuits (YES, NOT, OR, AND) of DNA inputs to experimentally demonstrate the modularity and programmability of the stimuli-responsive RCA-CRISPR/Cas12a system. This work broadens the application of the CRISPR/Cas12a system to the immobilization-free electrochemical biosensing platform and provides a new thinking for developing a robust tool for clinical diagnosis.
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