CRISPR/Cas12a双模生物传感器无酶等温扩增检测金黄色葡萄球菌

原创

来源：孙健

2024-10-31 08:52:46

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核心提示：介绍了一种新型的双模式生物传感器，该传感器利用CRISPR/Cas12a系统和无酶等温扩增方法来检测金黄色葡萄球菌（S. aureus）。

研究背景

金黄色葡萄球菌是一种重要的病原菌，能够引起食物中毒和多种感染，对公共卫生和食品安全构成严重威胁。

CRISPR/Cas12a系统作为一种新兴的生物传感策略，因其可编程性、高特异性和灵敏度而被广泛研究。同时，无酶等温扩增技术，如杂交链反应（HCR）和催化发夹组装（CHA），由于其恒温、无酶、操作简便等优点，已成为基于DNA的生物传感器中重要的信号放大策略。

因此，研究者们开发了一种新型的双模式生物传感器，它结合了CRISPR/Cas12a技术和无需酶的等温扩增方法，这样就能更快速、灵敏地检测出S. aureus。这个新方法提高了检测的准确性，并且将来可能在资源有限的环境中使用。

Scheme 1. Schematic diagram of an electrochemical-fluorescence dual-mode biosensor for S. aureus detection utilizing enzyme-free isothermal amplification and CRISPR/Cas12a.

性能评价

在金黄色葡萄球菌不存在的情况下，亚甲基蓝检测到一个强大的电化学信号，随着金黄色葡萄球菌浓度的增加，该信号逐渐减弱（图1A）。当细菌浓度在2.2×10~2.2×10⁶ CFUmL⁻¹范围内时，信号的衰减呈线性关系，线性方程为I=-0.629×lg（C_S.aureus）+4.574，相关系数R²为0.9895（图1B）。基于信噪比（S/N）为3，检测限（LOD）为5.7 CFUmL⁻¹。同时，上清液中的荧光信号随着金黄色葡萄球菌浓度的升高而增强（图1C）。这种增加在2.2×10²到2.2×10⁷CFUmL⁻¹的范围内也呈线性相关，如图1D所示，方程F=474.159×lg（C_S.aureus）-98.867，相关系数（R²）为0.9884。荧光法的LOD确定为133.7 CFUmL⁻¹（S/N=3）

Fig. 1. SWV and fluorescence response at different S. aureus concentrations. (A) SWV response profiles of the sensor to varying S. aureus concentrations. (B) Correlation between peak current and log-transformed S. aureus concentration. (C) Fluorescence response at different S. aureus concentrations. (D) The linear relationship between the fluorescence signal and the logarithmic concentration of S. aureus.

稳定性评价

构建的双模传感器在PBS缓冲液中检测大肠杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌，每种菌浓度为10⁵ CFU mL⁻¹。如图2A所示，与三种干扰菌和空白样品相比，只有金黄色葡萄球菌引起了电化学和荧光信号的显著变化，表明构建的传感器具有良好的选择性。同时，制备一批修饰金电极的亚甲基蓝探针，并在4℃下保存，每两天测量一次。如图2B所示，存储10天后，电化学信号保留了原始信号的89.7%，表明该传感器在长时间存储条件下具有可靠的电化学检测稳定性。

Fig. 2. (A) The electrochemical and fluorescence response of biosensor for S. aureus and various other bacteria (10⁵ CFU mL⁻¹). (B) Stability evaluation of the methylene blue probes modified gold electrode.

结论

本文提出的双模式生物传感器结合了CRISPR/Cas12a系统和无酶等温扩增方法，利用CHA和HCR放大寡核苷酸触发的反应，并通过CRISPR/Cas12a的顺式和反式切割活性产生电化学和荧光信号，实现对S. aureus的高灵敏度检测。这种创新方法不仅提高了检测的准确性和稳定性，还为开发下一代多模式生物传感器提供了新的思路，特别是在资源有限的环境中的应用潜力。

参考文献：Gao H, Zhang H, Qi X, et al. CRISPR/Cas12a dual-mode biosensor for Staphylococcus aureus detection via enzyme-free isothermal amplification[J]. Talanta, 2025, 282: 127013. PMID: 33346665