CN109613096A

CN109613096A - 基于dna-铜纳米簇构建的dna相关酶电化学生物传感器及其应用

Info

Publication number: CN109613096A
Application number: CN201910096695.0A
Authority: CN
Inventors: 胡宇芳; 张青青; 胡丹丹; 马少华; 郭智勇; 王邃
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2019-04-12
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109613096B

Abstract

本发明公开了基于DNA‑铜纳米簇构建的电化学生物传感器及其应用，具体步骤如下：(1)巯基DNA修饰裸金电极(Au)表面，记为Electrode1；(2)取3‑吗啉丙磺酸(MOPS)缓冲液、5×TdT缓冲液、dTTP和TdT制备TdT反应液，滴于Electrode 1表面，在37℃下放置0.5～1.5h，记为Electrode2；(3)向Electrode2中电极表面滴加Cu²⁺，室温孵育10～30min，蒸馏水缓缓冲洗电极。然后向电极表面滴加抗坏血酸钠溶液，室温反应10～30min，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode3，于PBS(0.1M，pH7.0)电解质溶液中检测电化学响应。优点是特异性好、灵敏度高、检测速度快，并且可以同时检测两种酶的活性及其小分子抑制剂。结果准确可靠、成本低。

Description

基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用

技术领域

本发明涉及一种电化学生物传感器及其检测方法，尤其是涉及基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，属于功能生物材料和生物传感技术领域。

背景技术

遗传物质的稳定传递是生命繁衍的根本。基因组DNA的精确复制和分配是遗传物质传递的基础，也是细胞周期两大最核心的生物学事件。DNA相关酶是复制过程中最重要的因子之一。尽管对这类酶的研究已有将近60年的历史，但依然是生命科学基础研究的前沿之一。它们不仅参与正常基因组DNA合成过程，也参与DNA损伤情况下多种修复过程。最近的肿瘤细胞比较基因组数据表明，多种DNA相关酶基因突变与某些肿瘤和遗传疾病相关。因此，对DNA相关酶的研究能够为这些疾病致病机理研究与诊治提供新思路和新方法。

末端脱氧核苷酸转移酶(TdT)能够通过将脱氧核糖核苷酸等温和重复添加到DNA分子的3′-OH末端来催化具有三个或更多个核苷酸长度的DNA的延伸。TdT仅在未成熟淋巴细胞和急性淋巴细胞白血病细胞中表达，因此TdT是急性白血病的常规诊断的重要生物标志物。此外，TdT被广泛用作分子生物工具，用于标记DNA末端，快速扩增互补DNA末端和凋亡细胞检测。因此，测定TdT活性和抑制，在临床诊断，生物医学研究，和相关的药物的发现有重大意义。传统的TdT活性测定依赖于生化测定，免疫测定或凝胶电泳分析。然而，这些分析需要放射性或荧光标记的DNA或核苷酸以及抗体的制备，耗时、昂贵且劳动强度大。因此，开发简单、快速、灵敏的TdT测定方法仍然是一个巨大的挑战。

核酸外切酶是一类从多核苷酸链的一头开始按序催化降解核苷酸的酶。其中，核酸外切酶I(Exo I)是一种仅能从单链DNA链的3′端到5′端，按照碱基顺序，逐个催化水解碱基间的磷酸二酯键，逐渐降解单链DNA的酶。核酸外切酶在许多生物学过程中起重要作用，如DNA复制、重组、修复等。其中最重要的功能就是维持生物体内的基因突变几率，从而维持遗传信息的稳定性。目前对Exo I的活性检测普遍缺乏定量描述，因为传统检测Exo I活性的方法是将标准DNA与核酸外切酶反应，凝胶电泳观察酶切效果，这种方法最多给出半定量结果，且操作麻烦、重现性差，不能实时给出不同条件下的酶活性变化。因此，发展一种快速、准确、灵敏的定量检测Exo I活性的方法，将有重要价值。

本发明基于DNA模板化的铜纳米簇(简写CuNCs)，发展了一种新型电化学生物传感器，用于TdT和Exo I的活性检测。首先，利用TdT对基底DNA的延长和抗坏血酸钠的还原，形成DNA模板化的CuNCs，成功制备TdT电化学生物传感器；而Exo I的加入导致CuNCs无法形成，可以成功制备Exo I电化学生物传感器。利用方波伏安法，通过CuNCs的溶出作为电化学信号，根据TdT和Exo I活性对电化学信号的影响，实现TdT和Exo I活性的定量检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种特异性好、灵敏度高、检测速度快、结果准确可靠、成本低的基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，具体步骤如下：

(1)将巯基DNA(2.5～7.5μL，0.25～0.75μM)和三(2-羧乙基)膦(TCEP)(0.5～1.5μL，0.5～1.5mM)，混合均匀，在27～42℃下放置30～90min，滴于干净的裸金电极(Au)表面，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode 1。

(2)取1～3μL 3-吗啉丙磺酸(MOPS)缓冲液(10mM MOPS，150mM NaCl，pH7.6)、0.5～1.5μL5×TdT缓冲液、dTTP(0.5～1.5μL，5～15mM)和TdT(0.1～1.5μL，5～15U/mL)制备TdT反应液，控制总体积为2.5～7.5μL，混合均匀，滴于Electrode 1表面，在27～42℃下放置0.5～1.5h，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode 2。

(3)向Electrode 2中电极表面滴加Cu²⁺(2.5～7.5μL，0.5～1.5mM)，室温孵育10～30min，蒸馏水缓缓冲洗电极。然后向电极表面滴加抗坏血酸钠溶液(2.5～7.5μL，1～3mM)，室温反应10～30min，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode 3，于磷酸缓冲溶液(PBS，0.1M，pH 7.0)中检测电化学响应。

在步骤(2)，改变TdT浓度，用于传感器制备，然后如以上步骤(1)～(3)制备一系列传感器，用来检测不同浓度TdT的电化学响应。

为了探索Exo I活性，在步骤(2)，取Exo I溶液(2.5～7.5μL，0.01～50U/mL)滴涂于电极表面，在室温下孵育30～120min，蒸馏水缓缓冲洗电极，再把上述TdT反应液滴加到电极表面，然后如以上步骤(1)-(3)制备一系列传感器，用来检测不同浓度Exo I的电化学响应。

利用上述基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，利用方波伏安法，设置电位范围为0～+0.3V，振幅为25mV，检测传感器在PBS(0.1M，pH 7.0)中的电化学响应，获得一系列不同浓度的TdT和Exo I对应的还原峰电流大小，建立电流响应与TdT和Exo I之间的定量关系，根据两者之间的定量关系，确定待测样品中TdT和Exo I的含量。

发明原理：本发明是基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，在底物dTTP存在的条件下，TdT催化单链DNA上的3’-OH末端进行延伸聚合作用，得到富TDNA长链，通过该长链形成CuNCs，利用铜的溶出产生电化学信号，实现TdT活性检测，而单链DNA在Exo I的存在下被水解，无法实现TdT延伸聚合作用，无法产生电化学信号。Exo I和TdT的浓度变化会影响电化学传感器的电化学响应。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明构建了基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器。首先，利用单链DNA上的巯基与Au通过Au-S键结合，TdT催化DNA的3’-OH末端进行聚合延长，制备富TDNA长链，然后，将硝酸铜水溶液修饰于富TDNA电极上，然后利用抗坏血酸的还原，形成DNA为模板的CuNCs，成功制备传感器，而Exo I可以破坏这一传感器的形成。随后利用方波伏安法检测铜的溶出电化学信号，检测传感器对不同浓度TdT或Exo I的电化学响应。显然，在浓度一定范围内，目标物浓度的变化影响电流的响应。实验结果表明，电流的大小与目标物的浓度在一定范围内呈线性关系，实现对目标物的检测。其优点在于：

(1)高灵敏度。本发明实验得出传感器的电流响应对TdT浓度线性相关方程为y＝18.86+6.16lgC_TdT，R²＝0.9895，检测限为0.0008U/mL，说明传感器对TdT实现高灵敏检测；传感器的电流响应对Exo I浓度线性相关方程为y＝2.34-6.34lgC_{Exo I}，R²＝0.9861，检测限为0.002U/mL，说明传感器对Exo I实现高灵敏检测。

(2)高特异性。其他常见的酶如脲酶(Urease)，乙酰胆碱酯酶(AChE)，尿嘧啶-DNA糖基化酶(UDG)，组蛋白乙酰化酶(HAT)，蛋白激酶(PKA)，碱性磷酸酶(ALP)对TdT及Exo I活性检测体系均无干扰。

(3)抑制剂检测。通过该电化学生物传感器对酶活性的电化学响应，从而可以实现对TdT抑制剂焦磷酸钠(PP)及Exo I抑制剂聚乙二醇(PEG)的检测，可以得出传感器的电化学响应与酶抑制剂的相关关系。

(4)制备与检测方法试剂用量少、检测速度快、成本低。

综上所述，本发明是基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，具有灵敏度高、选择性好、操作简单、分析快速、易于操作等优点，可以实现低浓度TdT和Exo I的检测，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明传感器制备过程不同阶段的电化学响应；

图2为本发明传感器对有无TdT的电化学响应图；

图3为本发明传感器对不同浓度TdT的电化学响应对TdT浓度的关系图；

图4为本发明传感器对TdT检测的选择性实验图；

图5本发明传感器对TdT的抑制剂检测的电化学响应图；

图6为本发明传感器对有无Exo I的电化学响应图；

图7为本发明传感器对不同浓度Exo I的电化学响应对Exo I浓度的关系图。

图8为本发明传感器对Exo I检测的选择性实验图；

图9本发明传感器对Exo I的抑制剂检测的电化学响应图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1 传感器的制备

(1)将巯基DNA(5μL，0.5μM)和三(2-羧乙基)膦(TCEP)(1μL，1mM)全称，混合均匀，在37℃下放置60min，滴于干净的裸金电极(Au)表面，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode1。

(2)取2μL 3-吗啉丙磺酸(MOPS)缓冲液(10mM MOPS，150mM NaCl，pH 7.6)、1μL 5×TdT缓冲液、dTTP(1μL，10mM)和TdT(0.25μL，10U/mL)制备TdT反应液，控制总体积为5μL，混合均匀，滴于Electrode 1表面，在37℃下放置1h，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode2。

(3)向Electrode 2中电极表面滴加Cu²⁺(5μL，1mM)，室温孵育15min，蒸馏水缓缓冲洗电极。然后向电极表面滴加抗坏血酸钠溶液(5μL，2mM)，室温反应15min，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode 3，于磷酸缓冲溶液(PBS，0.1M，pH 7.0)中检测电化学响应。

检测上述三种修饰电极及金电极于PBS(0.1M，pH7.0)中检测电化学响应，如图1，证明传感器Electrode 3制备成功且有良好的电化学响应。

实施例2 TdT检测可行性实验

为了证明本发明传感器可以实现对TdT的检测，基于实施例1制备我们的生物传感器。对比有TdT存在和无TdT存在时，所制备的传感器的电化学响应，见图2，有TdT时，传感器在PBS(0.1M，pH 7.0)中电化学响应明显，而无TdT存在时，基本无电化学响应，证明该传感器可用于TdT活性检测。

实施例3 不同浓度末端转移酶TdT的检测

按上述实施例1的传感器制备步骤，制备电化学生物传感器，用于检测不同浓度TdT，浓度依次为0，0.001，0.002，0.005，0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1，2U/mL。结果如图3所示，说明随着TdT浓度增大，传感器的电化学响应越来越强，峰电流对TdT的浓度呈良好的线性关系，传感器的电流响应对TdT浓度线性相关方程为y＝18.86+6.16lgC_TdT，R²＝0.9895，线性范围为0.001～0.5U/mL，检测限为0.0008U/mL，说明传感器对TdT实现高灵敏度检测。

实施例4 传感器对TdT的特异性检测

选择性实验中TdT及其他酶的浓度均为0.5U/mL，所用到的其他酶的缩写如下：脲酶(Urease)，乙酰胆碱酯酶(AChE)，尿嘧啶-DNA糖基化酶(UDG)，组蛋白乙酰化酶(HAT)，蛋白激酶(PKA)，碱性磷酸酶(ALP)。按上述实施例1的传感器制备步骤，用其他相同浓度的酶代替TdT。结果如图4所示，与TdT对比，传感器对其他酶的电化学响应非常小，基本接近空白信号，说明传感器对TdT的检测显示较好的选择性。

实施例5 TdT抑制剂焦磷酸钠(PP)的抑制效果检测

按上述实施例1的传感器制备步骤，制备Electrode 2时，在TdT反应液中用加入不同浓度的焦磷酸钠(PP)，浓度依次为：0，1，2，5，8，10，20，50，80，100，200，500，800μM。结果如图5所示，得传感器的电流与PP浓度对数的关系，计算得PP对TdT的半抑制浓度IC₅₀为22μM，基本接近空白信号，说明PP对TdT活性具有良好的抑制效果。

实施例6 Exo I检测可行性实验

为了证明本发明传感器可以实现对Exo I的检测，基于实施例1制备电化学生物传感器，步骤(1)后，取Exo I溶液(5μL，2U/mL)滴涂于电极表面，在室温下孵育60min，再把上述TdT反应液滴加到电极表面，然后如实施例1步骤(1)-(3)制备传感器，见图6，有Exo I时，传感器在PBS(0.1M，pH 7.0)中基本无电化学响应，而无Exo I存在时，电化学响应明显，证明该传感器可用于Exo I活性检测。

实施例7 不同浓度Exo I的检测

按上述实施例1的传感器制备步骤，用于检测不同浓度Exo I，浓度依次为：0，0.001，0.002，0.005，0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1，2U/mL。结果如图7所示，说明随着Exo I浓度增大，传感器的电化学响应越弱，峰电流对Exo I的浓度呈良好的线性关系，传感器的电流响应对Exo I浓度线性相关方程为y＝2.34-6.34lgC_{Exo I}，R²＝0.9861，线性范围为0.005～2U/mL，检测限为0.002U/mL，说明传感器对Exo I可实现高灵敏度检测。

实施例8 传感器对Exo I的特异性检测

选择性实验中Exo I及其他酶的浓度均为2U/mL，所用到的其他酶的缩写如下：脲酶(Urease)，乙酰胆碱酯酶(AChE)，尿嘧啶-DNA糖基化酶(UDG)，组蛋白乙酰化酶(HAT)，蛋白激酶(PKA)，碱性磷酸酶(ALP)。按上述实施例1的传感器制备步骤，用其他相同浓度的酶代替Exo I。结果如图8所示，与Exo I对比，传感器对其他酶的电化学响应非常小，基本接近空白信号，说明传感器对Exo I的检测显示较好的选择性。

实施例9 Exo I抑制剂聚乙二醇(PEG)的抑制效果检测

按上述实施例1的传感器制备步骤，在Exo I中用加入不同浓度的聚乙二醇(PEG)，浓度依次为0，10，20，50，80，100，200，500，800，1000，2000，5000，8000μM。结果如图9所示，得传感器的电流与PEG浓度对数的关系，计算得PEG对Exo I的半抑制浓度IC₅₀为311μM，基本接近空白信号，说明PEG对Exo I活性具有良好的抑制效果。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明保护范围。

Claims

1.基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，其特征在于，机理如下：在底物dTTP存在的条件下，TdT催化单链DNA上的3’-OH末端进行延伸聚合作用，得到富T DNA长链，通过该长链形成CuNCs，利用铜的溶出产生电化学信号，实现TdT活性检测，而单链DNA在Exo I的存在下被水解，无法实现TdT延伸聚合作用，无法产生电化学信号。Exo I和TdT的浓度变化会影响电化学传感器的电化学响应。

2.基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，具体步骤如下：

(1)将巯基DNA(2.5～7.5μL，0.25～0.75μM)和三(2-羧乙基)膦(TCEP)(0.5～1.5μL，0.5～1.5mM)全称，混合均匀，在37℃下放置30～90min，滴于干净的裸金电极(Au)表面，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode 1。

(2)取1～3μL 3-吗啉丙磺酸(MOPS)缓冲液(10mM MOPS，150mM NaCl，pH 7.6)、0.5～1.5μL 5×TdT缓冲液、dTTP(0.5～1.5μL，5～15mM)和TdT(0.1～1.5μL，5～15U/mL)制备TdT反应液，控制总体积为2.5～7.5μL，混合均匀，滴于Electrode 1表面，在37℃下放置0.5～1.5h，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode 2。

(3)向Electrode2中电极表面滴加Cu²⁺(2.5～7.5μL，0.5～1.5mM)，室温孵育10～30min，蒸馏水缓缓冲洗电极。然后向电极表面滴加抗坏血酸钠溶液(2.5～7.5μL，1～3mM)，室温反应10～30min，蒸馏水缓缓冲洗电极，记为Electrode 3，于磷酸缓冲溶液(PBS，0.1M，pH 7.0)中检测电化学响应。

在步骤(2)，改变TdT浓度，用于传感器制备，然后如以上步骤(1)-(3)制备一系列传感器，用来检测不同浓度TdT的电化学响应。

为了探索ExoI活性，步骤(1)后，取ExoI溶液(2.5～7.5μL，0.01～50U/mL)滴涂于电极表面，在室温下孵育30～120min，蒸馏水缓缓冲洗电极，再把上述TdT反应液滴加到电极表面，然后如以上步骤(1)-(3)制备一系列传感器，用来检测不同浓度Exo I的电化学响应。

3.如权利要求1和2所述的基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，其特征在于：用来检测TdT的电化学方法为方波伏安法，设置电位范围为0～+0.3V，振幅为25mV。

4.如权利要求1和2所述的基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，其特征在于：本发明传感器，可以实现不同浓度TdT和Exo I的检测，其中，TdT的检测限低至0.0008U/mL，Exo I的检测限低至0.002U/mL。

5.如权利要求1和2所述的基于DNA-铜纳米簇构建的DNA相关酶电化学生物传感器及其应用，其特征在于：本发明传感器，可以实现对TdT抑制剂PP和Exo I抑制剂PEG的检测，半抑制浓度IC₅₀分别为22μM和311μM。