基于λ核酸外切酶辅助解旋酶依赖性扩增的CRISPR/Cas12a无PAM序列荧光传感器检测单核细胞增生李斯特菌

《Biochimie》:Lambda exonuclease assisted helicase-dependent amplification CRISPR/Cas12a detection of Listeria monocytogenes

【字体: 时间:2025年06月10日 来源:Biochimie 3.3

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  本研究针对单核细胞增生李斯特菌(L. monocytogenes)检测中传统方法耗时、依赖PAM序列等问题,开发了一种基于λ-exo(λ核酸外切酶)和HDA(解旋酶依赖性扩增)的CRISPR/Cas12a荧光传感器。该技术通过λ-exo将双链DNA转化为单链DNA,突破PAM序列限制,实现11.5 CFU/mL的高灵敏度检测,线性范围达101 -107 CFU/mL,为食品安全和临床诊断提供了简便、高效的解决方案。

  

单核细胞增生李斯特菌(L. monocytogenes)是引发食源性疾病的重要病原体,可导致严重的脑膜炎和败血症。传统检测方法如细菌培养耗时长达数天,而PCR和ELISA虽提速却依赖昂贵设备。更棘手的是,新兴的CRISPR/Cas12a技术虽能实现高灵敏度检测,但其依赖靶序列中的PAM(原间隔相邻基序)特性,极大限制了应用范围。如何突破PAM限制,建立快速、普适的检测体系,成为食品安全监测领域的核心挑战。

吉林省科技发展计划资助的研究团队创新性地将λ核酸外切酶(λ-exo)与解旋酶依赖性扩增(HDA)结合,构建了无PAM限制的CRISPR/Cas12a荧光传感器。该技术通过HDA扩增L. monocytogenes的hlyA基因,利用λ-exo特异性剪切5'磷酸化单链的特性,将双链DNA转化为单链DNA,从而绕过PAM序列激活Cas12a的转切割活性,最终通过荧光信号实现检测。研究证实,该系统检测限低至11.5 CFU/mL,且无需复杂设备,为资源匮乏地区的病原体监测提供了新工具。

关键技术方法

  1. HDA扩增:利用解旋酶替代热变性,实现hlyA基因的恒温扩增;
  2. λ-exo剪切:特异性降解5'磷酸化链,生成激活Cas12a的单链DNA;
  3. CRISPR/Cas12a信号转换:通过HEX/BHQ1荧光报告系统实现信号输出。

研究结果

Feasibility of the strategy
凝胶电泳和荧光分析证实,当存在目标菌株时,HDA能高效扩增出预期产物(条带清晰),而λ-exo处理后产物迁移率改变,表明成功生成单链DNA。阴性对照组无信号产生,验证了系统的特异性。

Conclusions
该传感器通过λ-exo的定向剪切作用,首次实现了不依赖PAM序列的Cas12a激活,将检测灵敏度提升至11.5 CFU/mL。由于CRISPR系统的可编程性,仅需更换crRNA即可扩展至其他病原体检测,在食源性疾病暴发应急响应和基层医疗检测中具有重要应用价值。

讨论与意义
研究突破了CRISPR检测中PAM序列的“枷锁”,通过λ-exo与HDA的协同作用,为核酸即时检测(POCT)提供了新范式。相较于前人报道的LAMP-CRISPR或RPA-CRISPR体系,该方法避免了不对称扩增的效率损失,且适用于更多靶基因。未来通过微流控芯片整合,有望开发成便携式检测设备,推动病原体监测技术的普惠化发展。

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