掃描式DNA感應器

莫金教授的研究群發表的掃描式 DNA 感應器,是以金納米粒子的呈色為基礎。它的原理是以人工合成兩種不同長度的單股 DNA 序列,各為12個與15個鹼基,將它們分別固定在玻片與直徑約為13納米的金納米粒子上,在金納米粒子上所連線的 DNA 序列稱為探針序列,另外在載玻片上的DNA序列稱為捕捉序列。這兩種 DNA 序列可分別與欲測樣品中具有27個鹼基長度的標的 DNA 的兩端互補配對,形成類似三明治般的構造。

掃描式DNA感應器介紹

如同一般的基因晶片,掃描式 DNA 感應器是預先在載玻片上將許多不同的 DNA 序列 a、c、d、e 等予以固定。其中只有序列 a 才能與標的 DNA 序列(ab)的一端形成互補配對。三者混合後,序列 ab 分別和玻片上序列 a 與金納米粒子上的 b 形成結合。再用緩衝溶液將未配對或多餘的 DNA 序列清除。若樣品中標的 DNA 序列的濃度夠高,則會顯出淡淡的粉紅色,再以含有硝酸銀的溶液處理,由於金納米粒子可促進銀的沉積,便可呈現黑色。
利用此種配對原理,可將金納米粒子間接地固定在玻片上。當其序列間的鹼基能完全互補配對時,其結合力最強,若無法完全配對時,結合力即減弱,因此可借著增加溫度,而使得非標的 DNA 序列脫離。
在經過增溫處理以確定僅存專一性結合後,存在的足量金納米粒子會使樣品呈現粉紅色(樣品莫耳濃度為 10-8、未以銀離子顯影液處理者),但是當樣品中的標的 DNA 濃度降低時,粉紅色即變淡,無法以肉眼覺察(樣品莫耳濃度為 10-10、未以銀離子顯影液處理者)。
為了解決這個問題,研究人員發現可加入含有銀離子的顯影液。因為金納米粒子可促進銀離子與顯影液中所含還原劑(氫)之間的反應而生成還原態的銀,銀的沉積會顯出黑色,不但容易辨識,而且可用一般傳統的光學掃瞄器器偵測。利用所得深淺不同的結果以灰階加以相互比較,就可區別樣品間濃度的高低,甚至能輕易地以肉眼觀察,因此大大提升了敏感度。即使當 DNA 序列間的差異只有一個鹼基時,都能區分出來。
由此掃描式 DNA 感應器所檢測的結果顯示,在較低溫時(攝氏 40 度),除了正確配對的鹼基 A 之外,其它三種錯誤的 G、T、C 鹼基對亦可結合。但是當溫度提升至攝氏 50 度時,僅有正確的腺嘌呤(A)仍然維持配對狀態,其它三種(亦即 G、T、C)的呈色會消失,因此決定選擇性的溫度是攝氏 50 度。若是溫度繼續升高至攝氏 60 度,即使是含有正確的腺嘌呤(A)的 DNA 序列也會脫離,而導致呈色完全消失。

工作原理

以螢光為呈色的方法雖也有類似的結果,但是增溫範圍太小(攝氏 15 度至 35 度),決定專一性結合的溫度也較掃描式 DNA 感應器來得低。因此,溫度的變化只要高於正確結合的溫度攝氏 35 度,就會導致專一性結合的 DNA 序列脫離而使得呈色減弱。此外,由於實驗過程中需要反覆地以溶液沖洗,當正確序列結合的溫度太接近室溫時,會使得部分專一性與非專一性結合的 DNA 序列較容易一起被洗掉,因此其呈色普遍性地較為微弱。
由於掃描式 DNA 感應器的專一性結合溫度較高,就可以避免這種困擾。其敏感度較一般以螢光劑為呈色的方法高 100 倍,而且對於單一鹼基錯誤配對的選擇性也高出 3 倍。同時,因為掃描式 DNA 感應器的敏感度較高,對於樣品的量要求也就較低,因此優於一般以螢光呈色的 DNA 感應器。
以掃描式 DNA 感應器來偵測樣品中的 DNA 序列時,樣品中的標的 DNA 序列的濃度高低雖然可藉由灰階來推測,但是其結果僅能以黑白二色呈現,因此每次能檢測的種類數目受到較大的限制。以螢光分子為標幟的偵測法中能有顏色上的變化,較受一般檢驗人員的歡迎,而且若能以彩色呈現,就可以容許在檢驗樣品中一次含有多種待測的 DNA 序列,因此,如何將黑白變為彩色就變成研究人員的下一個目標。
來源: 生物科學資料庫

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