Background
技术背景

我们的平台基于最近被广泛应用于生物大分子检测的纳米孔单分子技术,其原理是当不同生物分子与纳米量级的孔道上的特异性探针结合时或通过孔道时,会产生不同的电流信号,通过监测和分析这些电流信号达到检测目的。
平台所采用的纳米孔道源于PHI29 DNA包装马达中的连接通道蛋白。该孔道具有大小均一,稳定性高,可修饰性强等优点。该技术将Phi29 蛋白纳米孔道(3.6 纳米)作为电流传感器,依据特有的蛋白质抗原检测抗体、抗体检测抗原、抗RNA测定miRNA的技术,通过安装在孔道上的探针捕获肿瘤标志物。当探针捕获及结合标志物时,电流将产生变化,通过数据系统分析电流变化,从而达到检测标志物属性的目的。平台用于癌症液体活检具有以下优势:
· 特异性强(针对不同肿瘤,选择设计特异性强的探针来检测特异性生物标志物)
· 灵敏度高(单分子检测水平;多杂质情况下仍可灵敏捕获,灵敏度达单分子检测水平,检测下限可达飞摩尔浓度级别(10-15 M))
· 精确度高(以某一肿瘤5个或以上标记物作为靶标,以区分不同肿瘤,可满足临床要求)
· 高通量:同时进行多个生物标志物的筛选,降低检测成本,达到快速诊断。

该纳米孔道平台除了可以应用于癌症早期检测,也可用于其他疾病检测、环境监测、国土安全、药物筛选、基因测序等。
核心文献摘要如下:

a. Engineered Nanopore of Phi29 DNA-Packaging Motor for Real-Time Detection of Single Colon Cancer Specific Antibody in Serum
b. Real-Time Sensing and Discrimination of Single Chemicals Using the Channel of Phi29 DNA Packaging Nanomotor

研发一种高度灵敏和可靠的方法来用于检测和识别在高浓度杂质下的极低浓度的单个化学物质,对于环境监测,国土安全,运动员药物监测,毒素/药物筛选和疾病早期诊断非常重要。本文报道了一种用于精确检测单一化学物质的方法。噬菌体phi29 DNA包装马达的连接器通道蛋白由12个蛋白质亚基组成,3.6纳米通道作为双链DNA在包装期间进入和在感染期间释放的通道。 连接器已被嵌入脂质双层中作为膜通道。在这里,我们报道了phi29通道蛋白经过修饰改造,用于检测单分子化学物质。每个蛋白质亚基234位置的赖氨酸被突变为半胱氨酸,由此产生环绕通道壁的12-SH环。通过单通道电导实验证明,通道的SH基团相互作用的化学物质,可以产生非常可靠、精确和灵敏的电流特征。具有活性硫酯集团的乙烷(57Da)、胸腺嘧啶(167Da)和苯(105Da)在与半胱氨酸集团相互作用时可以被清楚的区分出来。当每种化学物质与孔道共价结合后可以诱导特征性的电流阻断。化学物质的瞬时结合也产生独特的阻塞幅度和信号 。这项研究表明,基于不同的电信号指纹,phi29连接器蛋白可以用于检测那些可以与硫酯或马来酰亚胺反应的化学物质。 结果证明,该通道平台可以进一步开发成非常灵敏的检测装置。

Incorporation of Viral DNA Packaging Motor Channel in Lipid Bilayers for Real-Time, Single-Molecule Sensing of Chemicals and Double-Stranded DNA

灵敏度和特异性是生物分子监测,化学检测和疾病诊断的两个最重要的因素。完美的灵敏度是达到可以检测单分子的水平。理想的特异性是达到在存在许多杂质存在的情况下可以检测分析物的水平。快速发展的纳米孔技术趋近于这个理想值。生物体中各种各样的生物马达和细胞孔道执行不同的生物功能。这些设计独特的转运装置激发了基于电流阻堵塞原理的单分子检测的开发。过去的十年纳米技术和纳米生物技术的发展激发了对基于纳米孔仪器研究的快速发展,并且激发了对包括离子,核苷酸,对映异构体,药物和聚合物(例如PEG,RNA,DNA)和多肽的单分子检测的极大兴趣。这种检测技术已经扩展到医疗诊断和第三代高通量DNA测序。该综述覆盖了当前纳米孔检测平台,包括生物孔和固态孔。最近几年,已经有不同的生物纳米孔道被开发出来,但是该综述将集中于三种研究最广的系统,包括用于检测单链DNA的较小通道的α-溶血素和MspA,以及用于双链DNA通过的噬菌体phi29DNA包装马达连接器。每个系统的优点和缺点将会进行比较;他们目前和潜在的在纳米医学,生物技术和纳米技术方面的应用也会被讨论。

Solid-state and biological nanopore for real-time sensing of single chemical and sequencing of DNA

相关文章

Wang S, Haque F, Rychahou PG, Evers BM, Guo P. Engineered Nanopore of Phi29 DNA-Packaging Motor for Real-Time Detection of Single Colon Cancer Specific Antibody in Serum. ACS Nano 2013 Oct 23;7:9814-22.

Haque F, Lunn J, Fang H, Smithrud D, Guo P. Real-Time Sensing and Discrimination of Single Chemicals Using the Channel of Phi29 DNA Packaging Nanomotor. ACS Nano 2012 Mar 29;6:3251-61. PMCID:PMC3250684.

Haque F, Geng J, Montemagno C, Guo P. Incorporation of Viral DNA Packaging Motor Channel in Lipid Bilayers for Real-Time, Single-Molecule Sensing of Chemicals and Double-Stranded DNA. Nature Protocols. 2013;8:373-92.

Haque F, Li J, Wu H-C, Liang X-J, Guo P. Solid-state and biological nanopore for real-time sensing of single chemical and sequencing of DNA. Nano Today 2013;8:56-74.

Wendell D, Jing P, Geng J, Subramaniam V, Lee TJ, Montemagno C, Guo P. Translocation of double-stranded DNA through membrane-adapted phi29 motor protein nanopores. Nature Nanotechnology. 2009 Nov;4:765-72.