基因組DNA中的5-羥甲基胞嘧啶(5hmC-DNA)是一種主要的表觀遺傳標記，在癌癥進展等廣泛的生物過程中起著關鍵作用。然而，由于5hmC-DNA豐度低以及非靶標干擾嚴重，高效檢測5hmC-DNA，特別是從高度復雜的生物標本中，仍然是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。利用MXene作為信號助推器，本文提出了一種電化學生物傳感技術，用于從復雜生物樣品中超靈敏地檢測5hmC-DNA。該技術將5hmC羥基的酶催化轉(zhuǎn)化、5hmC- dna靶標的序列特異性識別和簡便的電化學反應結合在一起。值得注意的是，納米尺寸的Ti3C2Tx MXene作為一種高導電性的介質(zhì)被引入，能夠極大地增強信號。該技術不僅在廣泛的5hmC- dna范圍內(nèi)(1.0 × 10−13-1.0 × 10−9 m)具有良好的線性響應，最低檢測限為59 fM，而且對包括胞嘧啶(C)-和5-甲基胞嘧啶(5mC)在內(nèi)的5hmC類似物具有良好的選擇性。更重要的是，概念驗證證明了該技術的非凡能力，可以直接從包括細胞基因組提取物和輻照或未輻照小鼠血清在內(nèi)的復雜背景中檢測5hmC-DNA，這表明其在早期癌癥篩查等多種應用方面具有很大的潛力。
圖1. 從復雜背景中電化學檢測 5 hmC-DNA 的示意圖，包括樣品預處理和 MXene 增強的電化學檢測。DBCO，二苯并環(huán)辛炔。
圖2. 生物傳感器的修飾和表征。a) 電化學生物傳感器的制作步驟和修飾電極表面的SEM示意圖：I) AuNPs/GCE，II) SH-DNA/AuNPs/GCE，III) MCH/SH-D/AuNPs/GCE，IV) 5hmC /MCH/SH-DNA/AuNPs/GCE, V) BSA/5hmC/MCH/SH-DNA/AuNPs/GCE, VI) SA-HRP/BSA/5hmC/MCH/SH-DNA/AuNPs/GCE, VII) MXene /SA-HRP/BSA/5hmC/MCH/SH-DNA/AuNPs/GCE（插入步驟 I 和 VII 的 SEM 圖像）。b) CV 曲線和c) EIS 譜對應于含有1 mM [Fe(CN) 6 ] 3−/4− 的0.1 M KCl 溶液中電極制造步驟的電化學表征。d) CV曲線的氧化峰值電流和EIS譜的電阻。e) 當前 5hmC-DNA (1 nM) 中用 MXene（紅色）和不含 MXene（藍色）修飾的電極的 SWV 信號。
圖3. 用于檢測5hmC的不同材料的選擇和驗證。a) Ti 3 C 2 T x MXene、GO、NbAlC 和 V 4 AlC 3的 SEM 表征。b) 不同材料的CV曲線：紅色實線：Ti 3 C 2 T x MXene，綠色虛線：GO，紫色虛線：NbAlC，藍色虛線：V 4 AlC 3。所有材料的濃度均為0.1 mg mL -1。c）負載有Ti 3 C 2 T x MXene材料的生物傳感器在經(jīng)過或未經(jīng)超聲處理的情況下的CV曲線。Ti 3 C 2 T x MXene的濃度為0.05mg mL -1。d）Ti 3 C 2 T x MXene和Ti 3 C 2 T x MXene@SiO 2的CV曲線。兩種材料的濃度均為0.1 mg mL -1。
圖4. Ti 3 C 2 T x MXene 增強的 5hmC-DNA 檢測的優(yōu)化。a) 不同濃度的 Ti 3 C 2 T x MXene 的 SWV 圖，b) 5hmC-DNA 濃度為 1 nM 時電流信號的 SWV 響應方差。c) Ti 3 C 2 T x MXene不同孵育時間的 SWV 圖和 d) 1 nM 5hmC-DNA 濃度下電流信號的 SWV 響應方差。
圖5. 所開發(fā)技術的分析性能。a）電化學生物傳感器對不同濃度5hmC-DNA的SWV響應（從上到下：1、0.1、0.01、0.001和0.0001 nM）；b) 5hmC-DNA濃度從0.1 pM到1 nM的電流變化值與對數(shù)值之間的線性關系。誤差線代表三個重復測量的標準偏差。c) 電化學生物傳感器對標記的 C-DNA（藍線）、5mC-DNA（棕線）、5hmC-DNA（紅線）、模擬 DNA（黃線）和對照（紫線）的 SWV 響應。d) 去除背景信號后C-DNA、5mC-DNA、模擬DNA和5hmC-DNA的相對信號。誤差線代表三個獨立實驗的標準偏差。e) 同一批制備的七個工作電極的信號再現(xiàn)性。f) 7天內(nèi)工作電極的信號穩(wěn)定性。c–f) 中使用的 5hmC-DNA 濃度為 1.0 nM。
圖6. 驗證已開發(fā)的從復雜樣本中檢測 5hmC-DNA 的技術。a) 從復雜樣品中檢測 5hmC-DNA 的示意圖，包括 A549 細胞的 DNA 提取物和不同病理生理狀態(tài)（即正常、荷瘤和受輻射荷瘤）小鼠的血清。b）電化學工作站和三電極系統(tǒng)的圖像（插入：改進的工作電極）。c) 添加 5hmC-DNA 的復雜樣品的測量信號。d) 復雜樣品中添加的 5hmC-DNA 回收率的熱圖。
相關科研成果由中國科學院大學溫州研究所Gen Yang等人于2024年發(fā)表在Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202313118）上。原文：MXene Boosted Ultrasensitive Electrochemical Detection of 5-Hydroxymethylcytosine in Genomic DNA from Complex Backgrounds
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313118
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
