基因組DNA中的5-羥甲基胞嘧啶(5hmC-DNA)是一種主要的表觀遺傳標記，在癌癥進展等廣泛的生物過程中起著關鍵作用。然而，由于5hmC-DNA豐度低以及非靶標干擾嚴重，高效檢測5hmC-DNA，特別是從高度復雜的生物標本中，仍然是一個嚴峻的挑戰。利用MXene作為信號助推器，本文提出了一種電化學生物傳感技術，用于從復雜生物樣品中超靈敏地檢測5hmC-DNA。該技術將5hmC羥基的酶催化轉化、5hmC- dna靶標的序列特異性識別和簡便的電化學反應結合在一起。值得注意的是，納米尺寸的Ti3C2Tx MXene作為一種高導電性的介質被引入，能夠極大地增強信號。該技術不僅在廣泛的5hmC- dna范圍內(1.0 × 10−13-1.0 × 10−9 m)具有良好的線性響應，最低檢測限為59 fM，而且對包括胞嘧啶(C)-和5-甲基胞嘧啶(5mC)在內的5hmC類似物具有良好的選擇性。更重要的是，概念驗證證明了該技術的非凡能力，可以直接從包括細胞基因組提取物和輻照或未輻照小鼠血清在內的復雜背景中檢測5hmC-DNA，這表明其在早期癌癥篩查等多種應用方面具有很大的潛力。
圖1. 從復雜背景中電化學檢測 5 hmC-DNA 的示意圖，包括樣品預處理和 MXene 增強的電化學檢測。DBCO，二苯并環辛炔。
圖2. 生物傳感器的修飾和表征。a) 電化學生物傳感器的制作步驟和修飾電極表面的SEM示意圖：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（插入步驟 I 和 VII 的 SEM 圖像）。b) CV 曲線和c) EIS 譜對應于含有1 mM [Fe(CN) 6 ] 3−/4− 的0.1 M KCl 溶液中電極制造步驟的電化學表征。d) CV曲線的氧化峰值電流和EIS譜的電阻。e) 當前 5hmC-DNA (1 nM) 中用 MXene（紅色）和不含 MXene（藍色）修飾的電極的 SWV 信號。
圖3. 用于檢測5hmC的不同材料的選擇和驗證。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曲線：紅色實線：Ti 3 C 2 T x MXene，綠色虛線：GO，紫色虛線：NbAlC，藍色虛線：V 4 AlC 3。所有材料的濃度均為0.1 mg mL -1。c）負載有Ti 3 C 2 T x MXene材料的生物傳感器在經過或未經超聲處理的情況下的CV曲線。Ti 3 C 2 T x MXene的濃度為0.05mg mL -1。d）Ti 3 C 2 T x MXene和Ti 3 C 2 T x MXene@SiO 2的CV曲線。兩種材料的濃度均為0.1 mg mL -1。
圖4. Ti 3 C 2 T x MXene 增強的 5hmC-DNA 檢測的優化。a) 不同濃度的 Ti 3 C 2 T x MXene 的 SWV 圖，b) 5hmC-DNA 濃度為 1 nM 時電流信號的 SWV 響應方差。c) Ti 3 C 2 T x MXene不同孵育時間的 SWV 圖和 d) 1 nM 5hmC-DNA 濃度下電流信號的 SWV 響應方差。
圖5. 所開發技術的分析性能。a）電化學生物傳感器對不同濃度5hmC-DNA的SWV響應（從上到下：1、0.1、0.01、0.001和0.0001 nM）；b) 5hmC-DNA濃度從0.1 pM到1 nM的電流變化值與對數值之間的線性關系。誤差線代表三個重復測量的標準偏差。c) 電化學生物傳感器對標記的 C-DNA（藍線）、5mC-DNA（棕線）、5hmC-DNA（紅線）、模擬 DNA（黃線）和對照（紫線）的 SWV 響應。d) 去除背景信號后C-DNA、5mC-DNA、模擬DNA和5hmC-DNA的相對信號。誤差線代表三個獨立實驗的標準偏差。e) 同一批制備的七個工作電極的信號再現性。f) 7天內工作電極的信號穩定性。c–f) 中使用的 5hmC-DNA 濃度為 1.0 nM。
圖6. 驗證已開發的從復雜樣本中檢測 5hmC-DNA 的技術。a) 從復雜樣品中檢測 5hmC-DNA 的示意圖，包括 A549 細胞的 DNA 提取物和不同病理生理狀態（即正常、荷瘤和受輻射荷瘤）小鼠的血清。b）電化學工作站和三電極系統的圖像（插入：改進的工作電極）。c) 添加 5hmC-DNA 的復雜樣品的測量信號。d) 復雜樣品中添加的 5hmC-DNA 回收率的熱圖。
相關科研成果由中國科學院大學溫州研究所Gen Yang等人于2024年發表在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
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313118
轉自《石墨烯研究》公眾號
