基于链置换反应的石英晶体微天平传感体系构建及核酸分析应用

摘要

快速、高灵敏和高选择性分析检测核酸在临床检测、遗传分析、环境监测和生物反恐等诸多领域均有重要意义。建立分析方法的关键是特异识别和信号转换。在识别方面,传统的互补序列杂交体系主要有分子信标(MB)、双联探针和单链杂交等,以单链互补配对为识别核心,其选择性有限。近年来,作为DNA纳米技术的重要部分之一,链置换反应(SDR)在构建核酸纳米器件、逻辑门、分子机器和自组装材料等领域发挥了重要作用。SDR具有不需要酶、反应速率可控、特异性高、室温反应等特点,因此在构建核酸传感体系中起到重要作用,但是目前在此方面的研究还很有限。另一方面,石英晶体微天平(QCM)具有实时、在线、免标记、高灵敏等优势,在构建生物传感体系方面有很大的进展和发展空间。本论文围绕基于SDR构建QCM生物传感体系实现核酸分析检测这一主题展开,主要研究内容及创新之处如下。
　　基于SDR构建了简单、免标记、不需要酶的室温 QCM传感体系用于灵敏和高特异性检测 p53肿瘤抑制基因上的单核苷酸多态性(SNP)。根据目标序列设计了带外部Toehold区域的发卡型捕获探针,并通过巯基自组装法将其固定在传感表面。目标序列可以与该探针的Toehold区域特异杂交并引发链置换,促使发卡结构打开。开环的探针与生物素修饰的报告探针-链霉亲和素复合物结合以提供放大的QCM频率响应。该体系对于目标序列有很高的特异性,对于单碱基突变序列的区分因子均高于20,其中对于C-C错配的区分因子可达63,远高于文献中用单链、分子信标作为识别元件的区分因子。荧光和原子力显微镜(AFM)表征也证明了捕获探针对目标序列具有特异识别能力。同时该传感体系具有较高的灵敏度,对目标核酸的检测限达到0.3 nmol/L。对于HeLa细胞裂解液加标样品的回收率达到84％,表明发展的传感体系具有应用于检测生物样品中SNPs的可能性。
　　基于SDR构建了可再生型 QCM传感体系用于高特异检测单碱基突变。以亚甲基四氢叶酸还原酶(MTHFR)基因序列的C677T突变为模型,考察了构建的生物传感器的性能。单链捕获探针通过巯基自组装固定在传感表面,捕获生物素修饰的报告探针和链霉亲和素复合物以构成识别层。目标序列与报告探针上的Toehold区域结合,进而发生链置换并与报告探针形成更稳定的双链,从而脱离传感表面。恢复的捕获探针自组装层可以再次结合报告探针形成识别层,从而实现连续检测。构建的核酸传感体系具有良好的重复性,表现为连续6次循环检测后的信号仍能保持为初次信号的87%。室温下该体系检测目标突变序列具有很高的特异性,线性范围为1–75 nmol/L,检测限为0.8 nmol/L。本传感体系对于HeLa细胞裂解液样品的加标回收率为108%,因此具有应用于生物样品中核酸序列检测的可能性。该方法为重复和高特异检测单碱基突变提供了一种简单而通用的思路。
　　提出并研究了可控型杂交链反应(HCR):采用加入中止链的方法猝灭HCR,并用凝胶电泳法对产物进行表征。实验结果表明,通过此方法可以得到分布均匀、聚合度可控的反应产物,因此可以用于研究HCR的动力学。基于上述研究结果,将中止链作为检测目标,利用HCR产物的高分子量和高粘弹性构建了高灵敏的QCM生物传感体系实现了DNA的检测。另一方面,将可形成G-四链体的DNA序列引入HCR体系,构建了简单的实时、免标记检测K+的竞争型QCM传感体系,进一步拓展了可控型HCR的应用。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 链置换反应

1.2 核酸生物传感器

1.3 石英晶体微天平

1.4 本论文的设计思路

第2章 基于链置换反应构建石英晶体微天平生物传感器用于高特异性检测单核苷酸多态性

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

第3章 可重复使用的石英晶体微天平生物传感器的构建及其在分析DNA单碱基突变中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

第4章 基于可控型杂交链反应的研究构建DNA和钾离子的石英晶体微天平生物检测体系

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

第5章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢