Optotermiska nanotweezers, en innovativ optisk manipulationsteknik under det senaste decenniet, har revolutionerat klassisk optisk manipulation genom att effektivt fånga ett bredare spektrum av nanopartiklar. Även om denna teknik främst har använts för in-situ-manipulation av nanopartiklar, är dess potential för att identifiera bio-nanopartiklar fortfarande i stort sett outforskad.
Häri, baserat på de synergistiska effekterna av optotermisk manipulation och CRIPSR-baserad biodetektering, utvecklade författarna CRISPR-drivna optotermiska nanotweezers (CRONT). Specifikt, genom att utnyttja diffusiofores och termosmotiska flöden nära substratet vid optotermisk excitation, lyckades författarna fånga och berika bio-nanopartiklar, inklusive guldnanopartiklar, CRISPR-associerade proteiner, såväl som DNA-molekyler.
I en nyligen publicerad publikation publicerad i Light:Science &Applications , ett team av forskare ledda av professor Jiajie Chen, Zhi Chen, Zhang Han, Yonghong Shao från Shenzhen University, tillsammans med sina medarbetare, professor Ho-Pui Ho från The Chinese University of Hong Kong har tagit fram en optotermisk metod för att förbättra CRISPR-baserad single-nucleotide polymorphism (SNP) detektion för att uppnå en enda molekylnivå.
Dessutom har de introducerat en ny CRISPR-metodik för att observera nukleotidklyvning. Dessutom har detta innovativa tillvägagångssätt försett optiska pincett med DNA-identifieringsförmåga i vattenlösning, vilket var ouppnåeligt tidigare. Med tanke på dess anmärkningsvärda specificitet och genomförbarhet för in-situ manipulation och identifiering av bio-nanopartiklar, är det redo att bli ett universellt verktyg för diagnostik på vårdställen, biofotonik och bio-nanoteknik.
CRONT kan utsökt trimmas för att manipulera bio-nanopartiklar och uppfylla arbetsvillkoren för CRISPR-baserad målbio-nanopartikelidentifiering. Specifikt, genom att införliva optotermisk inducerad diffusioforetisk kraft, har författare framgångsrikt manipulerat bio-nanopartiklar, inklusive ssDNA, dsDNA, BSA, Cas12a-protein och DNA-funktionaliserade guldnanopartiklar.
Genom att införliva en CRISPR-baserad DNA-biosensing-metod, där klyvningen av ett enda fångat DNA@Gold-nanopartikel-konjugat förhörs, förvandlade författarna denna optotermiska pincett till en molekylär sond för in-situ DNA-molekylerna (SARS-CoV-2 eller Monkeypox) identifiering utan nukleinsyraamplifiering och uppnådde detektionsgränser på 25 aM för ssDNA och 250 aM för dsDNA.
Anmärkningsvärt nog har de visat att dessa nanotweezer erbjuder identifiering av singelnukleotidpolymorfismer (SNP) vid ultralägre detektionsvolymer (10 μL), som spelar en avgörande roll i genetisk mångfald och är associerade med olika fenotypiska egenskaper, inklusive sjukdomskänslighet och läkemedelssvar. Därför är denna innovation inom SNP-detektionstekniker väsentlig för att möta de olika kraven från genomisk forskning och medicinska tillämpningar i framtiden.
Dessa författare sammanfattade arbetet och utsikterna för CRONT på följande sätt:
"CRONT har möjliggjort den omedelbara implementeringen av CRISPR-baserad biosensing inom ultralåg detektionsvolym. Optisk pincett är nu utrustad med DNA-identifieringsförmåga genom det CRISPR-baserade biosensingsystemet. De lokala uppvärmningsegenskaperna hos CRONT har inte bara tillhandahållit en väg för biomolekyler berikning men också en nödvändig termisk miljö för klyvningen av CRISPR-komplexet."
"Vidareutveckling av detta optotermiska baserade CRISPR-biodetekteringsschema kan involvera användningen av en rad laseruppvärmningsfläckar för parallell detektering med hög genomströmning, vilket gör tekniken mer lämpad för kvantitativ detektering och avsevärt minska detektionstiden. CRONT kan också vara används för att vägleda CRIPSR/Cas-komplexet till mål-DNA och initiera genredigeringsprocessen. Det gör det också möjligt för forskarna att övervaka genredigeringsprocessen i realtid på singelmolekylnivå", tillade de.
"Vi förväntar oss att sådana beröringsfria nanosonder kommer att bidra till en djupare förståelse av olika komplexa biologiska processer, optiska, termiska, biologiska likheter med hög belysning på enpartikelnivå."
Mer information: Jiajie Chen et al, CRISPR-drivna optotermiska nanotweezers:Diverse bio-nanopartikelmanipulation och identifiering av enstaka nukleotider, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01326-9
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
