DOI: https://doi.org/10.1021/acssensors.5c04046
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39026723
تاريخ النشر: 2026-05-11
المؤلف: Yu-An Kuo وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الاستشعار الحيوي والتحليل الحيوي المتقدمة
نظرة عامة
تستخدم الأبتامرات الفلورية (FAPs) بشكل متزايد في استشعار الخلايا وتشخيص مسببات الأمراض، ومع ذلك فإن تحسين أدائها لا يزال يمثل تحديًا على الرغم من الرؤى الهيكلية من البلورة بالأشعة السينية. تقدم هذه الدراسة طريقة جديدة لتعزيز FAP قائم على الحمض النووي، يسمى الخس، باستخدام شرائح تسلسل الجيل التالي (NGS) من إلومينا المعاد استخدامها. من خلال استبدال الكروموفور الأصلي DFHBI-1T بـ TO1-biotin، لاحظ الباحثون تحولًا أحمر كبيرًا في ذروة الانبعاث بمقدار 53 نانومتر (من 505 نانومتر إلى 558 نانومتر) وزيادة بمقدار أربعة أضعاف في الفلورية الكلية.
من خلال فحص 8,821 متغيرًا من الخس معقدًا مع TO1-biotin، تم تحديد طفرة C14T كمتغير متفوق، حيث أظهرت ثابت تفكك ظاهري محسّن ($K_{d}^{app}$: 0.63 مقابل 0.82 ميكرومولار)، وعائد كمي أعلى (QY: 0.62 مقابل 0.59)، وعمر فلورية أطول ($\tau$: 6.00 مقابل 5.77 نانوثانية)، مما أدى إلى زيادة بنسبة 45% في الفلورية الجماعية مقارنةً بمجمع الخس/TO1-biotin القياسي. كشفت محاكاة الديناميات الجزيئية أن تفاعلات التكديس π-π تلعب دورًا حاسمًا في الهيكل التناسقي لـ TO1-biotin داخل الخس. هذه الطريقة في الفحص والمحاكاة تعمل على تحسين FAPs بشكل فعال دون معرفة هيكلية مسبقة، مما ينتج عنه مجسات جزيئية محسنة لاستشعار الفلورية ورؤى قيمة حول تفاعلات الأبتامرات والكروموفورات.
نقاش
في قسم النقاش، تسلط الأبحاث الضوء على أداء متغيرات الأبتامرات الحمض النووي المختلفة، مع التركيز بشكل خاص على قمم الإثارة والانبعاث كما هو موضح في الجدول 1. تشير البيانات إلى أن متغيرات الخس تظهر خصائص بصرية مميزة، مع قمم إثارة تتراوح من 522 نانومتر إلى 526 نانومتر وقمم انبعاث من 550 نانومتر إلى 563 نانومتر. تشير هذه الاختلافات إلى تطبيقات محتملة في طرق الكشف المعتمدة على الفلورية، لا سيما في تقنيات تسلسل الجيل التالي (NGS).
علاوة على ذلك، توضح تحليل نسب التحسين على الشريحة وفي المحلول تحسينات كبيرة في الكثافة العادية عبر أطوال موجية مختلفة، مما يشير إلى أن الأبتامرات يمكن استخدامها بشكل فعال في إعدادات تجريبية متنوعة. يشير معامل الارتباط (R² = 0.78) لمتغير C14T&A47C إلى علاقة قوية بين تكوين الأبتامرة وخصائصها الفلورية. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانيات الأبتامرات الحمض النووي المهندسة في تعزيز تطبيقات الاستشعار الحيوي وتحسين حساسية منصات NGS.
DOI: https://doi.org/10.1021/acssensors.5c04046
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39026723
Publication Date: 2026-05-11
Author(s): Yu-An Kuo et al.
Primary Topic: Advanced biosensing and bioanalysis techniques
Overview
Fluorogenic aptamers (FAPs) are increasingly utilized in cellular sensing and pathogen diagnostics, yet optimizing their performance remains a challenge despite structural insights from X-ray crystallography. This study introduces a novel method for enhancing a DNA-based FAP, termed Lettuce, using repurposed Illumina next-generation sequencing (NGS) chips. By replacing the original chromophore DFHBI-1T with TO1-biotin, the researchers observed a significant red-shift in the emission peak by 53 nm (from 505 nm to 558 nm) and a fourfold increase in bulk fluorescence.
Through the screening of 8,821 Lettuce variants complexed with TO1-biotin, the C14T mutation was identified as a superior variant, demonstrating an improved apparent dissociation constant ($K_{d}^{app}$: 0.63 vs. 0.82 μM), a higher quantum yield (QY: 0.62 vs. 0.59), and a longer fluorescence lifetime ($\tau$: 6.00 vs. 5.77 ns), resulting in 45% greater ensemble fluorescence compared to the canonical Lettuce/TO1-biotin complex. Molecular dynamics simulations revealed that π-π stacking interactions play a crucial role in the coordination structure of TO1-biotin within Lettuce. This screening-and-simulation approach effectively optimizes FAPs without prior structural knowledge, yielding enhanced molecular probes for fluorescence sensing and valuable insights into aptamer-chromophore interactions.
Discussion
In the discussion section, the research highlights the performance of various DNA aptamer variants, specifically focusing on their excitation and emission peaks as detailed in Table 1. The data indicates that the Lettuce variants exhibit distinct optical properties, with excitation peaks ranging from 522 nm to 526 nm and emission peaks from 550 nm to 563 nm. This variation suggests potential applications in fluorescence-based detection methods, particularly in next-generation sequencing (NGS) technologies.
Furthermore, the analysis of on-chip and in-solution improvement ratios demonstrates significant enhancements in normalized intensity across different wavelengths, indicating that the aptamers can be effectively utilized in diverse experimental setups. The correlation coefficient (R² = 0.78) for the C14T&A47C variant suggests a strong relationship between the aptamer’s structural configuration and its fluorescent properties. Overall, these findings underscore the potential of engineered DNA aptamers in advancing biosensing applications and improving the sensitivity of NGS platforms.