基于無(wú)模板隨機(jī)合成鳥(niǎo)嘌呤四聚體的熒光“開(kāi)啟”生物傳感器用于糧食中嘔吐毒素的快速檢測(cè)

韓逸陶,孫立君,張 艷,宋曉杰,高 雪,王 麗,謝 剛

(國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院,北京 100037)

嘔吐毒素(deoxynivalenol,DON)[1],又名脫氧雪腐鐮刀菌烯醇,是一種由禾谷鐮刀菌和黃色鐮刀菌產(chǎn)生的真菌毒素,主要污染小麥、大麥、燕麥和玉米等谷物,可在人和動(dòng)物體內(nèi)蓄積,具有致畸性、神經(jīng)毒性、胚胎毒性和免疫抑制作用[1-2]。近年,DON己成為世界糧食污染范圍最廣、危害最重的真菌毒素類(lèi)型之一[3]。我國(guó)[4]及世界各地[5]普遍制定了食品中DON的限量標(biāo)準(zhǔn),聯(lián)合國(guó)食品添加劑專(zhuān)家委員會(huì)規(guī)定人體對(duì)DON及其衍生物每日最大耐受攝入量為1 μg/kg[6]。因此,研究高效DON檢測(cè)技術(shù)十分必要。

DON現(xiàn)有檢測(cè)方法主要有儀器分析法[7-10]和快速檢測(cè)法[11-13]。鑒于日常谷物檢樣量大、分析結(jié)果實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn),常規(guī)儀器法難以滿足收購(gòu)、市場(chǎng)執(zhí)法等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需求。以免疫技術(shù)為基礎(chǔ)的快檢方法[12-13],雖己出現(xiàn)酶聯(lián)免疫試劑盒和膠體金試紙條等產(chǎn)品,但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在抗原抗體批間差異大、交叉反應(yīng)普遍、膠體金標(biāo)記與修飾復(fù)雜等局限性。適體是一段寡核苷酸序列[14],作為一類(lèi)新型識(shí)別分子能以極高的親和力和特異性與靶標(biāo)物結(jié)合[15],具有篩選條件溫和、批間差異小、親和力高、制備簡(jiǎn)單、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì),己廣泛應(yīng)用于食品安全、臨床醫(yī)療、生物成像等領(lǐng)域[16]。目前適體生物傳感技術(shù)多用于赭曲霉毒素A和黃曲霉毒素的分析[17-23],且多依賴(lài)于金屬納米顆粒、量子點(diǎn)、石墨烯等納米材料[20-24],不僅增加合成與修飾的成本與復(fù)雜性,而且體系中的納米材料還可能發(fā)生復(fù)雜對(duì)象的非特異性吸附,造成靶向信號(hào)淬滅或非靶向信號(hào)放大。因此如能利用核酸自身構(gòu)象變化[25],開(kāi)發(fā)新型生物材料用于傳感器件的構(gòu)建,將有效降低方法復(fù)雜性及背景信號(hào)的干擾。鳥(niǎo)嘌呤四聚體(G-quadruplex,G4)[26-28]是一種由富含鳥(niǎo)嘌呤排列的特定DNA序列組成的高度折疊核酸結(jié)構(gòu),能夠選擇性結(jié)合有機(jī)熒光分子,從而顯著提高熒光強(qiáng)度,其作為高效的分析工具目前己用于小分子、離子、核酸、蛋白等多種目標(biāo)物的分析[28-31]。G4的傳統(tǒng)形成方式模板依賴(lài)性高,無(wú)模板隨機(jī)聚合G4的生成形式[29-31]將大大簡(jiǎn)化操作,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的免標(biāo)記分析。

本研究基于無(wú)模板生成G4方法和其熒光染料增強(qiáng)性質(zhì),利用核酸外切酶的酶切作用,建立一種熒光“開(kāi)啟”的DON傳感檢測(cè)方法。該方法無(wú)需標(biāo)記,體系初始沒(méi)有G4的核酸序列,信號(hào)分子探針的生成免模板依賴(lài),具有簡(jiǎn)單、快速、成本低、背景信號(hào)小等優(yōu)勢(shì),可顯著提升方法靈敏度、選擇性與檢測(cè)范圍等分析性能,應(yīng)用于糧食及其制品中DON的定量分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

核酸外切酶(exonuclease I,ExoI)、末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶(terminal deoxynucleotidyl transferase,TdT)北京紐英倫生物技術(shù)有限公司;DON適體序列(S)5’-GCATCACTACAGTCATTACGCATCGTAGGGGGGAT CGTTAAGGAAGTGCCCGGAGGCGGTATCGTGTGAA GTGC-3’、脫氧核苷三磷酸(dNTPs,包括dGTP、dATP和dTTP) 生工生物工程(上海)股份有限公司;DON、玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)、黃曲霉毒素B1(af l atoxin B1,AFB1)、赭曲霉毒素A(ochratoxin,OTA)、伏馬毒素B1(fumonision B1,FB1)、T-2毒素(T-2 toxin,T-2)、硫黃素T(thiof l avin T,ThT) 北京百靈威試劑公司。實(shí)驗(yàn)用水均為18.2 MΩ·cm的Millipore超純水,其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

F97 Pro熒光分光光度計(jì) 上海棱光技術(shù)有限公司;WFH-204B手持式紫外燈 上海精科實(shí)業(yè)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 傳感器構(gòu)造及檢測(cè)原理

基于核酸外切酶ExoI的酶切反應(yīng)及無(wú)模板隨機(jī)合成G4方法,如圖1所示。當(dāng)有DON存在時(shí),DON與適體(S)發(fā)生特異性結(jié)合,形成的復(fù)合物能夠阻礙ExoI從3’到5’方向上剪切單鏈DNA,保留適體DNA的3’-OH末端[14-15,18-19,31]。在富含dGTP的底物池dNTPs中,末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶TdT延3’-OH端聚合,獲得隨機(jī)排列的富含鳥(niǎo)嘌呤DNA長(zhǎng)鏈,進(jìn)而生成多個(gè)連續(xù)G4結(jié)構(gòu),利用其可增強(qiáng)染料分子ThT熒光強(qiáng)度的性質(zhì),實(shí)現(xiàn)“開(kāi)啟”的熒光信號(hào)輸出;當(dāng)DON含量較低時(shí),適體DNA被ExoI剪切,體系中無(wú)3’-OH的DNA存在,TdT執(zhí)行聚合鳥(niǎo)嘌呤序列的行為受阻,無(wú)法形成G4結(jié)構(gòu)而信號(hào)降低,以此建立DON傳感檢測(cè)方法。

圖1 基于無(wú)模板隨機(jī)合成G4的DON檢測(cè)原理圖Fig. 1 Schematic illustration of the detection of DON based on randomly arrayed G4

1.3.2 無(wú)模板合成G4結(jié)構(gòu)

將含有1 μmol/L適體、2 U/μL TdT和1 mmol/L dNTPs(dGTP 50%、dATP 40%、dTTP10%)的溶液混合于20 μL緩沖體系(20 mmol/L CH3COO-Tris、50 mmol/L CH3COOK、10 mmol/L (CH3COO)2Mg、0.25 mmol/L CoCl2,pH 7.9),37 ℃溫育60 min,于70 ℃加熱10 min終止反應(yīng);之后加入終濃度為2 μmol/L的ThT于100 μL緩沖體系(10 mmol/L Tris-HCl、40 mmol/L KCl,pH 7.2),室溫反應(yīng)2 min。在425 nm波長(zhǎng)處激發(fā),檢測(cè)460～520 nm的熒光光譜,狹縫寬度均為5 nm。

1.3.3 方法可行性驗(yàn)證

將含有1 μmol/L適體與60 ng/mL的DON于10 μL溶液中混合反應(yīng)5 min;之后ExoI按2 U/μL的添加量加入15 μL緩沖體系(50 mmol/L Tris-HCl、10 mmol/L MgCl2、100 mmol/L NaCl、100 μg/mL BSA,pH 7.9),37 ℃溫育30 min,于80 ℃加熱1 min終止反應(yīng);隨后將上述混合液按1.3.2節(jié)替代其中適體進(jìn)行操作,檢測(cè)熒光光譜。

1.3.4 傳感界面優(yōu)化

1.3.4.1 TdT酶反應(yīng)條件

考察不同TdT添加量(0、0.1、0.5、1、2、4、6、8、10 U/μL)和不同聚合溫育時(shí)間(2、5、10、20、40、60、80、100 min)生成G4結(jié)構(gòu)后的熒光光譜,除TdT濃度與其反應(yīng)時(shí)間變化外,其他操作同1.3.2節(jié)。

1.3.4.2 dNTPs底物池的組成比例

考察不同比例dGTP(50%、60%、70%、80%、90%、100%)、dATP(0%、10%、20%、30%、40%、50%)和dTTP(0%、10%、20%、30%、40%、50%)組成的dNTPs(dGTP+dATP+dTTP=1)底物池生成G4結(jié)構(gòu)的熒光光譜,操作同1.3.2節(jié)。

1.3.4.3 ThT熒光增強(qiáng)條件

考察不同ThT濃度(0、0.1、0.5、1、2、4、6、8、10 μmol/L)和不同反應(yīng)時(shí)間(0、0.5、1、2、5、10、20、30 min)的G4熒光光譜,除ThT濃度與其反應(yīng)時(shí)間變化外,其他操作同1.3.2節(jié)。

1.3.4.4 ExoI酶切條件

考察不同ExoI添加量(0、0.1、0.5、1、2、4、6、8、10 U/μL)和不同溫育時(shí)間(1、2、5、10、20、30、40、50、60 min)的G4熒光光譜,除ExoI添加量與其反應(yīng)時(shí)間變化外,其他操作同1.3.3節(jié)。

1.3.5 DON的定量檢測(cè)

在最佳條件下,考察體系中加入不同質(zhì)量濃度DON(0、0.1、0.5、1、5、10、2、40、60、80、100、1 000 ng/mL)的熒光光譜,操作同1.3.3節(jié),測(cè)定方法檢測(cè)限及線性范圍。

1.3.6 特異性、重復(fù)性和穩(wěn)定性分析

分別將終質(zhì)量濃度為120 ng/mL的ZEN、AFB1、OTA、FB1和T-2毒素代替60 ng/mL的DON,按1.3.3節(jié)檢測(cè)熒光光譜,評(píng)價(jià)方法特異性。在相同實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)60 ng/mL DON平行進(jìn)行10 次檢測(cè),評(píng)價(jià)方法重復(fù)性。在相同實(shí)驗(yàn)條件下,連續(xù)10 d對(duì)60 ng/mL DON進(jìn)行檢測(cè),每天平行3 次取平均值,評(píng)價(jià)方法穩(wěn)定性。

1.3.7 小麥與玉米加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)

小麥和玉米的陰性樣品粉碎后通過(guò)20 目篩,準(zhǔn)確稱(chēng)量10 g,加入20 mL 20%甲醇溶液,振蕩2 min,靜置1 min,取1 mL上清液于4 000 r/min離心1 min,取上清液稀釋10 倍,之后向稀釋液中分別加入終質(zhì)量濃度0、0.5、5.0、50 ng/mL DON溶液作為待測(cè)液,按1.3.3節(jié)檢測(cè)熒光光譜。每種加樣量重復(fù)5 次,取平均值,測(cè)定方法的加標(biāo)回收率與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation,RSD)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

如未說(shuō)明,所有數(shù)據(jù)取3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)模板隨機(jī)合成G4結(jié)構(gòu)

G4結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)形成方式一般需要嚴(yán)格按照3 個(gè)鳥(niǎo)嘌呤連續(xù)排列的特定核酸組成,序列是人工篩選的DNA或自然界存在的端粒或基因啟動(dòng)子。TdT[26-28]是一種特殊的聚合酶,無(wú)需模板即可催化DNA的3’-OH端,延伸出幾乎隨機(jī)排列的DNA序列,通過(guò)改變底物池dNTPs的組成,從而調(diào)控TdT產(chǎn)生DNA的組成。當(dāng)?shù)孜锍馗缓琩GTP時(shí),能夠隨機(jī)聚合生成富含鳥(niǎo)嘌呤的DNA長(zhǎng)鏈,進(jìn)而形成多個(gè)連續(xù)G4單元。該G4結(jié)構(gòu)可與熒光染料ThT發(fā)生堆疊,顯著提高熒光信號(hào)[23-28]。圖2展示了適體DNA(S)在富含dGTP的底物池中經(jīng)TdT催化后,使ThT分子的熒光增強(qiáng)(曲線c),該熒光在425 nm處激發(fā),最大發(fā)射波長(zhǎng)為485 nm。相比體系中僅含有ThT(曲線a)或S與ThT的混合物(曲線b)時(shí),曲線c熒光強(qiáng)度提升約91 倍。插圖中展現(xiàn)了免模板生成的G4具有良好的熒光增強(qiáng)性能,可通過(guò)紫外光照射,直接被肉眼觀察到。

圖2 TdT催化的無(wú)模板隨機(jī)生成G4結(jié)構(gòu)的熒光光譜圖Fig. 2 Fluorescence spectra and photography (inset) of the TdT-generated G4 system

2.2 可行性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證檢測(cè)原理的可行性,實(shí)驗(yàn)考察加入DON前后體系的熒光光譜,結(jié)果如圖3所示。曲線a表示適體S經(jīng)TdT作用形成的連續(xù)G4結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的熒光增強(qiáng)效果;曲線b為S中加入ExoI剪切后,TdT聚合作用的光譜圖,結(jié)果顯示485 nm波長(zhǎng)處熒光信號(hào)顯著下降,說(shuō)明DNA被ExoI降解后可抑制TdT聚合生成G4;曲線c表示S與60 ng/mL DON混合后再加入ExoI的熒光光譜,信號(hào)顯著恢復(fù),提升約33 倍,與曲線a的G4熒光強(qiáng)度相當(dāng),說(shuō)明DON與適體結(jié)合后可形成穩(wěn)定的復(fù)合物,能夠有效阻礙ExoI酶切作用,完整的3’-OH可引發(fā)TdT聚合生成G4而產(chǎn)生熒光。插圖中可觀察到單獨(dú)加入ExoI時(shí)基本上沒(méi)有任何光(曲線b),而含有DON的體系(曲線c)呈現(xiàn)出與G4結(jié)構(gòu)(曲線a)相同的明亮綠光,這和熒光“開(kāi)啟”的DON檢測(cè)原理一致。

圖3 無(wú)模板隨機(jī)合成G4方法用于DON檢測(cè)的可行性驗(yàn)證Fig. 3 Verification of the feasibility of the method based on randomly arrayed G4 for detection of DON

2.3 傳感界面優(yōu)化結(jié)果

2.3.1 無(wú)模板G4結(jié)構(gòu)生成條件

圖4 TdT添加量（A）與聚合時(shí)間（B）的優(yōu)化Fig. 4 Optimization of TdT concentration (A) and incubation time (B)

無(wú)模板G4結(jié)構(gòu)的形成依賴(lài)于高效的TdT聚合反應(yīng),對(duì)TdT添加量及DNA聚合延伸時(shí)間進(jìn)行考察,如圖4所示。隨著TdT添加量不斷升高,485 nm波長(zhǎng)處的熒光強(qiáng)度不斷提升,2 U/μL為其最佳反應(yīng)量,過(guò)高的TdT添加量并不會(huì)顯著增加信號(hào)響應(yīng)(圖4A)。聚合時(shí)間在60 min左右時(shí),反應(yīng)可達(dá)到平衡,延長(zhǎng)時(shí)間,熒光值略有下降(圖4B)。因此,在后續(xù)操作中,TdT添加量和聚合時(shí)間分別為2 U/μL和60 min。

優(yōu)化dNTPs底物池的組成比例。由于聚合DNA鏈堿基組成很大程度上取決于dNTPs底物池的組成,因此可通過(guò)加入高比例dGTP(占總dNTPs含量50%以上)調(diào)控合成富含鳥(niǎo)嘌呤DNA鏈?？紤]到胞嘧啶對(duì)鳥(niǎo)嘌呤的干擾,僅考察不同組成比例dGTP、dATP和dTTP對(duì)生成G4結(jié)構(gòu)的影響。圖5展示了底物池中dATP(x軸)、dGTP(y軸)和dTTP(1-dATP-dGTP)組成比例的優(yōu)化結(jié)果。當(dāng)dATP、dGTP和dTTP比例為4∶5∶1時(shí),485 nm波長(zhǎng)處熒光值最高(紅色柱),聚合而成的DNA長(zhǎng)鏈執(zhí)行染料分子熒光增強(qiáng)的效果最好。

圖5 TdT聚合反應(yīng)時(shí)dNTPs底物池組成比例的優(yōu)化Fig. 5 Optimization of composition of three-component substrate pool in TdT polymerization

2.3.2 G4結(jié)合染料的熒光增強(qiáng)條件

圖6 ThT與G4特異性結(jié)合時(shí)ThT濃度（A）和反應(yīng)時(shí)間（B）的優(yōu)化Fig. 6 Optimization of ThT concentration (A) and reaction time for specific binding between G4 and ThT (B)

對(duì)G4堆疊熒光染料分子ThT引發(fā)熒光信號(hào)增強(qiáng)的過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,如圖6所示。隨著ThT濃度的提高,G4熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng),當(dāng)ThT濃度為2 μmol/L時(shí)效果最佳(圖6A)。圖6B中發(fā)現(xiàn)該熒光增強(qiáng)過(guò)程很快,2 min己完全能夠滿足檢測(cè)要求,因此后續(xù)操作中ThT與G4僅作用2 min。

2.3.3 核酸外切酶切條件

當(dāng)1 μmol/L的DNA與2 U/μL的ExoI作用時(shí),剪切效果最好(圖7A)。ExoI的酶切效率隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而提升,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí),熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,繼續(xù)酶切并不會(huì)顯著提高剪切效率(圖7B)。因此,將2 U/μL和30 min作為最佳酶切條件。

圖7 ExoI添加量（A）與酶切時(shí)間（B）的優(yōu)化Fig. 7 Optimization of ExoI concentration (A) and incubation time (B)

2.4 DON的檢測(cè)結(jié)果

圖8 不同質(zhì)量濃度DON的熒光光譜圖（A）和DON質(zhì)量濃度與485 nm波長(zhǎng)處熒光強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖（B）Fig. 8 Fluorescence spectra of randomly arrayed G4 with DON at different concentrations (A) and linear relationship of fluorescence intensity at 485 nm with different concentrations of DON (B)

基于己優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件,利用構(gòu)建的無(wú)模板G4傳感器對(duì)DON進(jìn)行定量檢測(cè)。圖8A顯示:隨著DON質(zhì)量濃度從0～1 000 ng/mL的增加,發(fā)射光譜熒光信號(hào)逐漸升高。圖8B中DON質(zhì)量濃度與485 nm處熒光強(qiáng)度的關(guān)系曲線表明,該傳感方法在0.1～60 ng/mL范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng),線性回歸方程為y=7 275.39x+10 479.34,R2=0.997 7。當(dāng)信噪比為3時(shí),DON檢測(cè)限可低至10 pg/mL。目前己報(bào)道的DON定量分析多為儀器法和免疫分析法,相比傳統(tǒng)的檢測(cè)方法[7-12],該生物傳感法展現(xiàn)了更佳的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)(表1),具有更低的檢測(cè)限和較寬的線性范圍。這主要是由于“開(kāi)啟”信號(hào)的分析方式在體系初始狀態(tài)下沒(méi)有可形成G4的DNA序列,不僅非模板依賴(lài)、免除信號(hào)分子標(biāo)記,操作簡(jiǎn)單,而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果背景響應(yīng)值低,可顯著提升方法檢測(cè)DON的傳感分析性能。

表1 比較多種檢測(cè)DON的方法Table 1 Comparison of several methods for DON detection

2.5 方法的特異性、重復(fù)性與穩(wěn)定性

圖9 適體傳感器的選擇性（A）、重復(fù)性（B）和穩(wěn)定性（C）Fig. 9 Selectivity (A), repeatability (B) and stability (C) of the proposed fluorescent aptasensor

利用ZEN、AFB1、OTA、FB1和T-2真菌毒素對(duì)該傳感方法的特異性進(jìn)行研究。圖9A表明:即使5 種真菌毒素濃度2 倍于DON,其相應(yīng)的熒光強(qiáng)度也無(wú)明顯上升,表明構(gòu)建的傳感器具有良好的特異性與選擇性,其他種類(lèi)真菌毒素不會(huì)影響檢測(cè)系統(tǒng)。此外,對(duì)方法的重復(fù)性和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。利用該免模板策略對(duì)DON進(jìn)行10 組平行檢測(cè)實(shí)驗(yàn),計(jì)算RSD在2.8%以內(nèi),結(jié)果如圖9B所示。如圖9C所見(jiàn),同時(shí)連續(xù)10 d監(jiān)測(cè)同一質(zhì)量濃度的DON含量,RSD小于3.5%。上述結(jié)果表明本方法可靠,具有很好的重復(fù)和穩(wěn)定性能。

2.6 小麥與玉米加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)價(jià)構(gòu)建的DON檢測(cè)方法的實(shí)用性,進(jìn)行小麥和玉米2 種糧食的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。取經(jīng)處理后的小麥和玉米稀釋液,分別添加終質(zhì)量濃度為0、0.5、5.0、50 ng/mL的DON,用該傳感方法檢測(cè)其中DON含量。表2顯示,方法回收率在94%～112%之間,RSD為3.4%～4.9%,表明本方法在應(yīng)用于實(shí)際樣品DON的檢測(cè)中具有較高的準(zhǔn)確性。

表2 基于無(wú)模板隨機(jī)合成G4傳感方法的小麥與玉米中DON加標(biāo)回收率Table 2 Recoveries of DON in spiked wheat and corn samples based on randomly arrayed G4

3 結(jié) 論

基于無(wú)模板隨機(jī)合成G4策略以及核酸外切酶的酶切作用,建立DON的熒光檢測(cè)方法。在最佳分析條件下,DON的檢測(cè)線性范圍為0.1～60 ng/mL,檢測(cè)限為10 pg/mL,同時(shí)具有良好的特異性、重復(fù)性與穩(wěn)定性。將該檢測(cè)方法應(yīng)用于添加DON的小麥和玉米樣品進(jìn)行測(cè)試,回收率在94%～112%之間,RSD在3.4%～4.9%之間,表明本方法在實(shí)際樣品分析中具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。該方法采用熒光“開(kāi)啟”的檢測(cè)模式和免模板分析策略,能夠顯著降低檢測(cè)的背景信號(hào),相較現(xiàn)有儀器方法和免疫方法,具有簡(jiǎn)單快速、低成本、免標(biāo)記、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。本研究以期為基于適體的DON傳感檢測(cè)提供理論依據(jù)和方法借鑒,進(jìn)而應(yīng)用于糧食收購(gòu)、市場(chǎng)執(zhí)法等現(xiàn)場(chǎng)DON的定性定量分析,同時(shí)有望進(jìn)一步為食品中其他種類(lèi)真菌毒素及生物污染物的監(jiān)測(cè)與控制提供新的研究思路。