DNA四面体探针电化学生物传感器检测甲型H7N9流感病毒的研究

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2013年初,甲型H7N9流感病毒首例呼吸道感染者在我国被发现以来,至今在国内外仍有零星病发,曾一度引起严重的社会恐慌,对经济、社会的发展造成了一定程度的影响。同时,通过基因突变或重组,甲型H7N9流感病毒具备高感染性并在适合条件下进行大规模流行的可能性仍难以避免。而流感病毒传统的检测方法都需要较为复杂的样品前处理过程,费时费力,价格昂贵。因此开发优于传统检测方法的甲型H7N9流感病毒现场快速检测技术,对甲型H7N9流感病毒的预防和控制都具有非常重要的意义。DNA电化学生物传感器可以特异性识别病原微生物的核酸序列,从基因水平上实现对病原体的检测和诊断,具备快速、灵敏、成本低、易于自动化和便携化等优点,还有对目标物实现实时多重检测的潜能,使其在病原体检测方面成为最具有应用前景的一类生物传感器。DNA四面体结构是通过巧妙的DNA序列设计,应用互补配对的原则,各链自动杂交结合而成的具有四面体形状的DNA三维纳米结构分子。DNA四面体探针(TEP, DNATetrahedral Probe)是在四面体的三个顶点上修饰巯基并通过Au-S键固定在电极表面,在另外一个顶点处延伸出一段特异性ssDNA作为探针实现对目标序列的识别结合。作为探针,基于DNA纳米技术自组装的DNA四面体结构纳米材料的表面效应、方位效应和内部的孔隙效应能促其进对目标序列的有效识别与结合,显著提高电子扩散和传递效率,在DNA电化学生物传感器检测方面具有很大的应用潜能。基于DNA四面体探针的电化学生物传感器,已经开展了部分人工合成核酸序列和其他生物分子检测的基础研究,但是目前仍然没有关于使用TEP DNA电化学传感器检测传染病实际样本的报道。其中,如何快速地获取核酸检测目标序列、减少对PCR的依赖、降低背景干扰等,从而实现对传染病病原简单、灵敏、准确、快速的检测仍然有待研究解决。以对甲型H7N9流感病毒的检测防控为目的,本文构建了一种基于TEP的DNA电化学生物传感器(TEP传感器)用于甲型H7N9流感病毒核酸样本的检测,在基因水平上实现对甲型H7N9流感病毒简便、快速、灵敏、特异的检测,主要研究方法和成果如下:1.根据WHO公开的编码甲型H7N9流感病毒血凝素蛋白(HA)的特异性保守核酸序列片段,设计出了用于TEP合成的四条ssDNA序列。PAGE凝胶电泳定性分析和TotalLab程序定量分析结果显示,使用简单的一步热变性便可成功合成DNA四面体结构探针,合成效率高达96%。2.将合成的TEP通过Au-S键的方式固定在工作金电极表面,以目标序列为媒介,固定在金电极表面的四面体探针与引入的生物素修饰的ssDNA检测探针(Bio-ssDNA)形成夹心模式。然后再通过链霉亲合素与生物素特异性结合引入链霉亲合素标记的辣根过氧化物酶(Avidin-HRP)信号放大剂。最后使用安培法通过监测辣根过氧化物酶催化底物四甲基联苯胺(TMB)发生氧化还原反应的强弱实现对目标序列的检测。使用循环伏安法(CV)和电化学交流阻抗法(EIS)对TEP传感器的制作过程进行了表征。3.该TEP传感器对合成目标序列在两个不同浓度范围内的检测响应信号和浓度的对数分别呈两个不同的线性关系,并通过建立类米氏方程模型对该现象进行了分析。该TEP传感器对合成目标序列检测灵敏度约为0.4pM,体现了高灵敏度的特点。能够明显从非完全互补序列中特异性识别区分出目标序列,对碱基突变序列表现出良好的检测特异性。4.该TEP传感器对咽拭子过滤性甲型H7N9流感病毒RNA提取物的不对称PCR ssDNA目标序列灵敏度的响应信号与ssDNA产物浓度的对数呈良好的线性关系,检测下限为0.1pM,并且该TEP传感器还能够从甲型H1N1和H3N2等其他流感病毒核酸中明显识别区分出甲型H7N9流感病毒,在基因水平上实现了对甲型H7N9流感病毒样本灵敏、特异的检测。5以甲型H7N9流感病毒cDNA为模板,该TEP传感器能够检测识别出低至一个循环数的不对称PCR ssDNA目标序列。同时,在低循环数下,对甲型H7N9流感病毒cDNA不对称PCR产物具有良好的特异性。
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