基因组DNA中的5-羟甲基胞嘧啶(5hmC-DNA)是一种主要的表观遗传标记，在癌症进展等广泛的生物过程中起着关键作用。然而，由于5hmC-DNA丰度低以及非靶标干扰严重，高效检测5hmC-DNA，特别是从高度复杂的生物标本中，仍然是一个严峻的挑战。利用MXene作为信号助推器，本文提出了一种电化学生物传感技术，用于从复杂生物样品中超灵敏地检测5hmC-DNA。该技术将5hmC羟基的酶催化转化、5hmC- dna靶标的序列特异性识别和简便的电化学反应结合在一起。值得注意的是，纳米尺寸的Ti3C2Tx MXene作为一种高导电性的介质被引入，能够极大地增强信号。该技术不仅在广泛的5hmC- dna范围内(1.0 × 10−13-1.0 × 10−9 m)具有良好的线性响应，最低检测限为59 fM，而且对包括胞嘧啶(C)-和5-甲基胞嘧啶(5mC)在内的5hmC类似物具有良好的选择性。更重要的是，概念验证证明了该技术的非凡能力，可以直接从包括细胞基因组提取物和辐照或未辐照小鼠血清在内的复杂背景中检测5hmC-DNA，这表明其在早期癌症筛查等多种应用方面具有很大的潜力。

 
图1. 从复杂背景中电化学检测 5 hmC-DNA 的示意图，包括样品预处理和 MXene 增强的电化学检测。DBCO，二苯并环辛炔。

 
图2. 生物传感器的修饰和表征。a) 电化学生物传感器的制作步骤和修饰电极表面的SEM示意图：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（插入步骤 I 和 VII 的 SEM 图像）。b) CV 曲线和c) EIS 谱对应于含有1 mM [Fe(CN) 6 ] 3−/4− 的0.1 M KCl 溶液中电极制造步骤的电化学表征。d) CV曲线的氧化峰值电流和EIS谱的电阻。e) 当前 5hmC-DNA (1 nM) 中用 MXene（红色）和不含 MXene（蓝色）修饰的电极的 SWV 信号。

 
图3. 用于检测5hmC的不同材料的选择和验证。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曲线：红色实线：Ti 3 C 2 T x MXene，绿色虚线：GO，紫色虚线：NbAlC，蓝色虚线：V 4 AlC 3。所有材料的浓度均为0.1 mg mL -1。c）负载有Ti 3 C 2 T x MXene材料的生物传感器在经过或未经超声处理的情况下的CV曲线。Ti 3 C 2 T x MXene的浓度为0.05mg mL -1。d）Ti 3 C 2 T x MXene和Ti 3 C 2 T x MXene@SiO 2的CV曲线。两种材料的浓度均为0.1 mg mL -1。

 
图4. Ti 3 C 2 T x MXene 增强的 5hmC-DNA 检测的优化。a) 不同浓度的 Ti 3 C 2 T x MXene 的 SWV 图，b) 5hmC-DNA 浓度为 1 nM 时电流信号的 SWV 响应方差。c) Ti 3 C 2 T x MXene不同孵育时间的 SWV 图和 d) 1 nM 5hmC-DNA 浓度下电流信号的 SWV 响应方差。

 
图5. 所开发技术的分析性能。a）电化学生物传感器对不同浓度5hmC-DNA的SWV响应（从上到下：1、0.1、0.01、0.001和0.0001 nM）；b) 5hmC-DNA浓度从0.1 pM到1 nM的电流变化值与对数值之间的线性关系。误差线代表三个重复测量的标准偏差。c) 电化学生物传感器对标记的 C-DNA（蓝线）、5mC-DNA（棕线）、5hmC-DNA（红线）、模拟 DNA（黄线）和对照（紫线）的 SWV 响应。d) 去除背景信号后C-DNA、5mC-DNA、模拟DNA和5hmC-DNA的相对信号。误差线代表三个独立实验的标准偏差。e) 同一批制备的七个工作电极的信号再现性。f) 7天内工作电极的信号稳定性。c–f) 中使用的 5hmC-DNA 浓度为 1.0 nM。

 
图6. 验证已开发的从复杂样本中检测 5hmC-DNA 的技术。a) 从复杂样品中检测 5hmC-DNA 的示意图，包括 A549 细胞的 DNA 提取物和不同病理生理状态（即正常、荷瘤和受辐射荷瘤）小鼠的血清。b）电化学工作站和三电极系统的图像（插入：改进的工作电极）。c) 添加 5hmC-DNA 的复杂样品的测量信号。d) 复杂样品中添加的 5hmC-DNA 回收率的热图。
 
      相关科研成果由中国科学院大学温州研究所Gen Yang等人于2024年发表在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
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313118

转自《石墨烯研究》公众号