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扫描式 DNA 感应器

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莫金教授的研究群发表的扫描式 DNA 感应器,是以金纳米粒子的呈色为基础。它的原理是以人工合成两种不同长度的单股 DNA 序列,各为 12 个与 15 个碱基,将它们分别固定在玻片与直径约为 13 纳米的金纳米粒子上,在金纳米粒子上所连接的 DNA 序列称为探针序列,另外在载玻片上的DNA序列称为捕捉序列。这两种 DNA 序列可分别与欲测样品中具有 27 个碱基长度的标的 DNA 的两端互补配对,形成类似三明治般的构造。

如同一般的基因芯片,扫描式 DNA 感应器是预先在载玻片上将许多不同的 DNA 序列 a、c、d、e 等予以固定。其中只有序列 a 才能与标的 DNA 序列(ab)的一端形成互补配对。三者混合后,序列 ab 分别和玻片上序列 a 与金纳米粒子上的 b 形成结合。再用缓冲溶液将未配对或多余的 DNA 序列清除。若样品中标的 DNA 序列的浓度够高,则会显出淡淡的粉红色,再以含有硝酸银的溶液处理,由于金纳米粒子可促进银的沉积,便可呈现黑色。

利用此种配对原理,可将金纳米粒子间接地固定在玻片上。当其序列间的碱基能完全互补配对时,其结合力最强,若无法完全配对时,结合力即减弱,因此可借着增加温度,而使得非标的 DNA 序列脱离。

在经过增温处理以确定仅存专一性结合后,存在的足量金纳米粒子会使样品呈现粉红色(样品莫耳浓度为 10-8 、未以银离子显影液处理者),但是当样品中的标的 DNA 浓度降低时,粉红色即变淡,无法以肉眼觉察(样品莫耳浓度为 10-10 、未以银离子显影液处理者)。

为了解决这个问题,研究人员发现可加入含有银离子的显影液。因为金纳米粒子可促进银离子与显影液中所含还原剂(氢)之间的反应而生成还原态的银,银的沉积会显出黑色,不但容易辨识,而且可用一般传统的光学扫描仪器侦测。利用所得深浅不同的结果以灰阶加以相互比较,就可区别样品间浓度的高低,甚至能轻易地以肉眼观察,因此大大提升了敏感度。即使当 DNA 序列间的差异只有一个碱基时,都能区分出来。

由此扫描式 DNA 感应器所检测的结果显示,在较低温时(摄氏 40 度),除了正确配对的碱基 A 之外,其它三种错误的 G、T、C 碱基对亦可结合。但是当温度提升至摄氏 50 度时,仅有正确的腺嘌呤(A)仍然维持配对状态,其它三种(亦即 G、T、C)的呈色会消失,因此决定选择性的温度是摄氏 50 度。若是温度继续升高至摄氏 60 度,即使是含有正确的腺嘌呤(A)的 DNA 序列也会脱离,而导致呈色完全消失。

以荧光为呈色的方法虽也有类似的结果,但是增温范围太小(摄氏 15 度至 35 度),决定专一性结合的温度也较扫描式 DNA 感应器来得低。因此,温度的变化只要高于正确结合的温度摄氏 35 度,就会导致专一性结合的 DNA 序列脱离而使得呈色减弱。此外,由于实验过程中需要反复地以溶液冲洗,当正确序列结合的温度太接近室温时,会使得部分专一性与非专一性结合的 DNA 序列较容易一起被洗掉,因此其呈色普遍性地较为微弱。

由于扫描式 DNA 感应器的专一性结合温度较高,就可以避免这种困扰。其敏感度较一般以萤光剂为呈色的方法高 100 倍,而且对于单一碱基错误配对的选择性也高出 3 倍。同时,因为扫描式 DNA 感应器的敏感度较高,对于样品的量要求也就较低,因此优于一般以萤光呈色的 DNA 感应器。

以扫描式 DNA 感应器来侦测样品中的 DNA 序列时,样品中的标的 DNA 序列的浓度高低虽然可藉由灰阶来推测,但是其结果仅能以黑白二色呈现,因此每次能检测的种类数目受到较大的限制。以萤光分子为标帜的侦测法中能有颜色上的变化,较受一般检验人员的欢迎,而且若能以彩色呈现,就可以容许在检验样品中一次含有多种待测的 DNA 序列,因此,如何将黑白变为彩色就变成研究人员的下一个目标。

 

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