CN108107028A - 一种检测三磷酸腺苷(atp)的生物传感器 - Google Patents
一种检测三磷酸腺苷(atp)的生物传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种检测三磷酸腺苷的生物传感器,包括核酸外切酶III,引发链,ATP适配体,发卡探针和分子信标;可采用荧光检测测定溶液中ATP含量,激发波长为486 nm,发射波长为518 nm,检测范围500 nm‑650 nm。本发明的生物传感器的特异性好、灵敏度高,反应条件温和、重复性好;检测方法操作简便、检测周期短;检测的主要过程均是在均相中实现的,提高了反应速度,降低了操作的复杂程度。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域,特别涉及基于核酸适配体检测三磷酸腺苷(ATP)的荧光生物传感器。
背景技术
三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate,ATP)存在于从微生物到高等动植物所有的生物体中,是各种生命活动能量的直接来源,但本身在体内含量并不高,在细胞中ATP的摩尔浓度通常是1-10 mM。ATP在细胞内主要作用是提供能量,参与脂肪、蛋白质、糖和核酸的代谢,在维持生物体的正常机能上有无可替代的作用。ATP是活细胞的重要能量组分,死亡的细胞将不能测到ATP,癌细胞的ATP代谢特别活跃。通过测定细胞内ATP的含量不仅可以观察细胞的状态,还可以观察不同外界因素对细胞的效应。迅速而准确地测定ATP,对于研究细胞乃至机体的生理活性和代谢过程、进行药物敏感实验以及食品卫生监控都有非常重要的意义。ATP的检测被广泛应用于包括肿瘤药物敏感性筛选、细胞凋亡检测、多种重要细胞活性及微生物含量分析等方面。发展ATP的新型检测方法对于医学临床诊断及机体代谢水平具有重要意义。
建立简单、快速、灵敏和准确的ATP分析方法不仅有助于推动生命过程的研究,而且对于临床诊断、药物分析、药物开发等领域也有着重要的实际意义。传统的ATP检测方法有电泳法、高效液相色谱法、同位素示踪法、生物发光法和化学发光法。在电泳法测定ATP中,样品需经电泳分离,再利用紫外分光光度计进行比色,操作比较复杂;采用高效液相色谱法需要繁琐的分离过程,仪器与试剂昂贵,检测时间长,检测器多为紫外检测,灵敏度有限,微量的ATP很难准确检测。同位素示踪法具有简单、灵敏的优点,但放射性同位素影响实验操作者的健康,应用难度大。化学发光法和生物发光法虽然具有很高的测量精度,能够满足不同范围的检测要求,但是其稳定性和特异性是一直存在的问题。因此,急需建立价格低廉、灵敏度高、特异性好的ATP检测方法。
发明内容
为了解决以上现有技术中检测ATP的方法特异性和灵敏度都比较低、检测周期长的问题,本发明提供了一种特异性和灵敏度高、检测速度快的基于核酸外切酶III协助的双放大荧光法检测ATP的生物传感器。
本发明还提供了上述生物传感器荧光检测ATP方法。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案。
一种检测三磷酸腺苷(ATP)的生物传感器,包括核酸外切酶III(ExoIII)引发链(Trigger),ATP适配体(Aptamer),发卡探针(HAP)和分子信标(MB);
所述引发链的序列如SEQ No. 1所示;
所述ATP适配体的序列如SEQ No. 2所示;
所述发卡探针的序列如SEQ No. 3所示;
所述分子信标的序列如SEQ No. 4所示,其中5’端修饰荧光基团,3’端第四位碱基上修饰荧光猝灭基团。
作为优选,所述荧光基团为6-羧基荧光素(FAM),荧光猝灭基团为4-(4’-二甲基氨基偶氮苯基)苯甲酸(Dabcyl)。
一种采用上述生物传感器检测ATP的方法,包括以下步骤:
(1)将引发链和ATP适配体杂交为探针;
(2)将ATP标准溶液与待测液分别与探针混合,同时加入发卡探针、分子信标、核酸外切酶III和反应缓冲液,37℃恒温孵育;
(3)将步骤(2)所得的溶液检测荧光,根据ATP标准溶液的荧光强度作标准曲线,计算回归方程,由待测液的荧光强度计算其中ATP的浓度。
所述步骤(1)中杂交步骤为95℃下变性,然后缓慢冷却至室温。
Exo III酶浓度为10-150U/mL;优选为10-100U/mL。
HAP浓度为1-6μM;优选为1-5μM。
MB浓度为2-12μM;优选为2-10μM。
孵育时间为60-150min;优选为60-120min。
所述荧光检测的激发波长为486 nm,发射波长为518 nm,检测范围500 nm-650nm。
本生物传感器的工作原理如下:
Trigger与Aptamer进行碱基互补配对形成弓型结构。当有ATP存在时,Aptamer与ATP进行结合,这可以将弓型结构打开,同时使得Trigger释放。释放出的Trigger可以与HAP的3’端进行碱基互补配对,使得HAP的3’形成平末端,在核酸外切酶III的作用下产生R序列,同时Trigger链进行循环利用,实现外切酶III的第一次循环放大。随后,R与MB杂交,将MB的发夹结构打开形成双链结构,外切酶III作用于MB使得R进行循环利用,实现外切酶III协助的第二次循环,同时MB上的荧光基团与猝灭基团分离,产生荧光信号,通过测量荧光强度来定量检测ATP。
本发明具有以下优点:
本发明的生物传感器的特异性好、灵敏度高,反应条件温和、重复性好;检测方法操作简便、检测周期短;检测的主要过程均是在均相中实现的,提高了反应速度,降低了操作的复杂程度;制作该生物传感器的工艺成本低,适用于产业化中价廉的要求。
附图说明
图1为本生物传感器的工作原理示意图;
图2为Exo III对检测ATP荧光强度的影响;
图3为不同浓度HAP对检测ATP荧光强度的影响;
图4为不同浓度MB对检测ATP荧光强度的影响;
图5为不同反应时间对检测ATP荧光强度的影响;
图6为系列浓度ATP的荧光强度;
图7为检测ATP的标准曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明,但本发明不受下述实施例的限制。
实施例1 不同浓度Exo III对检测ATP荧光强度的影响。
(1)将14 μL 灭菌水,2 μL Exo III酶缓冲液,2 μL 100 μM Aptamer链和2 μL100 μM Trigger链加入到预先准备好的灭菌的EP管中;震荡30s,在95℃下孵育5min,缓慢冷却至室温,储存于-20 ℃下备用。
(2)取6μL步骤(1)中的溶液加入EP管中,紧接着加入ATP(5 μL,102 nM)、HAP(3 μL,5μM)、MB(6 μL,10μM)、3 μL Exo III(浓度分别为10 U/mL,25 U/mL,50 U/mL,75 U/mL,100 U/mL,125 U/mL,150 U/mL),6 μL ExoIII酶缓冲液和31 μL灭菌水。震荡30s,放入37℃的恒温箱中孵育2 h。
(3)将60 μL上步反应后的溶液稀释至70 μL,荧光仪激发波长设置为486 nm,发射波长为518 nm,检测范围500 nm-650 nm,读取荧光信号变化。
结果见图2,从图中可以看出,随着核酸外切酶III量的增加,实验得到的荧光强度不断增强,在酶量达到100 U/mL之后,荧光强度基本不变。
实施例2 不同浓度HAP对检测ATP荧光强度的影响。
(1)将14 μL 灭菌水,2 μL Exo III酶缓冲液,2 μL 100 μM Aptamer链和2 μL100 μM Trigger链加入到预先准备好的灭菌的EP管中;震荡30s,在95℃下孵育5min,缓慢冷却至室温,储存于-20 ℃下备用;
(2)取6 μL步骤(1)中的溶液加入EP管中,紧接着加入3 μL HAP(终浓度分别为1 μM,2μM,3 μM,4 μM,5 μM,6 μM)、ATP(5 μL102 nM)、MB(6 μL,5μM)、核酸外切酶III(3 μL,100U/mL),6 μL ExoIII酶缓冲液和31 μL灭菌水。震荡30 s,放入37℃的恒温箱中孵育2 h;
(3)将60 μL 上步反应后的溶液稀释至70 μL,荧光仪激发波长设置为486nm,发射波长为518nm,检测范围500 nm-650 nm,读取荧光信号变化。
结果见图3,从图中可以看出,随着发夹HAP的浓度增加,实验得到的荧光强度不断增强,在发夹HAP浓度达到5 μM之后,荧光强度基本不变。
实施例3 不同浓度MB对检测ATP荧光强度的影响。
(1)将14 μL 灭菌水,2 μL Exo III酶缓冲液,2 μL 100 μM Aptamer链和2 μL100 μM Trigger链加入到预先准备好的灭菌的EP管中;震荡30s,在95℃下孵育5min,缓慢冷却至室温,储存于-20 ℃下备用;
(2)取6μL步骤(1)中的溶液加入EP管中,紧接着加入6 μL MB(终浓度分别为2 μM,4 μM,6 μM,8 μM,10 μM,12 μM)、ATP(5 μL102 nM)、HAP(3 μL,5μM)、Exo III酶(3 μL,100U/mL),6 μL ExoIII酶缓冲液和31 μL灭菌水。震荡30s,放入37℃的恒温箱中孵育2 h;
(3)将60 μL上步反应后的溶液稀释至70 μL,荧光仪激发波长设置为486 nm,发射波长为518 nm,检测范围500 nm-650 nm,读取荧光信号变化。
结果见图4,从图中可以看出,随着MB浓度的增加,实验得到的荧光强度不断增强,在MB浓度达到10 μM之后,荧光强度基本不变。
实施例4 不同反应时间对检测ATP荧光强度的影响。
(1)将14 μL 灭菌水,2 μL外切酶缓冲液,2 μL 100 μM Aptamer链和2 μL 100 μMTrigger链加入到预先准备好的灭菌的EP管中;震荡30s,在95℃下孵育5min,缓慢冷却至室温,储存于-20 ℃下备用;
(2)取6μL步骤(2)中的溶液加入EP管中,紧接着加入HAP(3 μL,5μM)、ATP(5 μL,102nM)、MB(6 μL,10μM)、核酸外切酶III(3 μL,100U/mL),6 μL ExoIII酶缓冲液和31 μL灭菌水。震荡30 s,放入37℃的恒温箱中分别孵育60 min,75 min,90 min,105 min,120 min,135 min,150 min。
(3)将60 μL上步反应后的溶液稀释至70 μL,荧光仪激发波长设置为486 nm,发射波长为518 nm,检测范围500 nm-650 nm,读取荧光信号变化。
结果见图5,从图中可以看出,随着反应时间的增加,实验得到的荧光强度不断增强,在反应时间达到120 min之后,荧光强度基本不变。说明核酸外切酶III协助的双循环放大检测ATP的最佳检测时间为120 min
实施例5 对ATP的荧光检测。
(1)将14 μL 灭菌水,2 μL ExoIII缓冲液,2 μL 100 μM Aptamer链和2 μL 100 μM Trigger链加入到预先准备好的灭菌的EP管中。震荡30s,在95℃下孵育5min,缓慢冷却至室温,储存于-20 ℃下备用;
(2)取6μL步骤(1)中的溶液加入EP管中,紧接着加入5 μL ATP(终浓度为0,1×10-3,1×10-2,1×10-1,1,1×101,1×102 nM)或待测液、HAP(3 μL,5μM)、MB(6 μL,10μM)、ExoIII酶(3 μL,100U/mL),6 μL ExoIII酶缓冲液和31 μL灭菌水。震荡30s,放入37℃的恒温箱中孵育2 h;
(3)将60 μL上步反应后的溶液稀释至70 μL,荧光仪激发波长设置为486nm,发射波长为518nm,检测范围500nm-650nm,读取荧光信号变化。
检测结果如图6所示,图中可知,当ATP浓度在1 pM到1×105 pM时吸光值不断减小,反应稳定进行。在ATP的浓度在1 pM到1×105 pM时,ATP浓度的对数与荧光峰值的大小成正比关系,拟合曲线:F = 15.8 + 145.9×log (CATP / pM),其中,Y是荧光强度峰值,C是ATP的浓度。R为0.985。经计算得到该方法的检测下限为0.8 pM。经测定,待测液的荧光强度是201,ATP的浓度为18.3 pM。计算得到该方法的检测下限为0.8 pM。
<110> 济南大学
<120> 一种检测三磷酸腺苷(ATP)的生物传感器
<130> 20171212
<160> 4
<170> PatentIn version 3.5
<210> 1
<211> 26
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> Trigger
<400> 1
ccttcctcca aaaccccagg taaaaa 26
<210> 2
<211> 31
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> Apt
<400> 2
acctggggga gtattgcgga ggaaggtttt t 31
<210> 3
<211> 42
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> HAP
<400> 3
gataacgccc cgactaagta tacgttatct tttggaggaa gg 42
<210> 4
<211> 19
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> MB
<400> 4
aacgcttagt cggggcgtt 19
Claims (6)
1.一种检测三磷酸腺苷(ATP)的生物传感器,其特征在于,包括核酸外切酶III,引发链,ATP适配体,发卡探针和分子信标;
所述引发链的序列如SEQ No. 1所示;
所述ATP适配体的序列如SEQ No. 2所示;
所述发卡探针的序列如SEQ No. 3所示;
所述分子信标的序列如SEQ No. 4所示,其中5’端修饰荧光基团,3’端第四位碱基上修饰荧光猝灭基团。
2.根据权利要求1所述的生物传感器,其特征在于,所述荧光基团为6-羧基荧光素,荧光猝灭基团为4-(4’-二甲基氨基偶氮苯基)苯甲酸。
3.一种采用如权利要求1所述的生物传感器检测ATP的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将引发链和ATP适配体杂交为探针;
(2)将ATP标准溶液与待测液分别与探针混合,同时加入发卡探针、分子信标、核酸外切酶III和反应缓冲液,37℃恒温孵育;
(3)将步骤(2)所得的溶液检测荧光,根据ATP标准溶液的荧光强度作标准曲线,计算回归方程,由待测液的荧光强度计算其中ATP的浓度。
4.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤(1)中杂交步骤为95℃下变性,然后缓慢冷却至室温。
5. 根据权利要求4所述的方法,其特征在于,ExoIII酶浓度为10-150U/mL; HAP浓度为1-6μM;MB浓度为2-12μM;孵育时间为60-150min。
6. 根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤(3)中荧光检测的激发波长为486nm,发射波长为518 nm,检测范围500 nm-650 nm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180601 |