Detección repetible de iones Ag+ utilizando un aptámero de ADN

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 9692 (2022) Citar este artículo

1887 Accesos

4 citas

3 Altmetric

Detalles de métricas

Este documento describe la detección repetible de iones Ag+ utilizando un sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN integrado con un sistema de calentamiento de microfluidos. Los sensores bioquímicos que responden a compuestos químicos y producen señales detectables tienen un papel fundamental en muchos aspectos de la sociedad moderna. En particular, cabe esperar que la medición repetible de información ambiental, como sustancias tóxicas, incluidos los iones Ag+, mejore el medio ambiente. El aptámero de ADN es un candidato atractivo debido a la estabilidad y la selectividad de unión a los productos químicos. Sin embargo, los sensores bioquímicos de aptámeros de ADN anteriores no podían medir repetidamente porque esos sensores no tenían funciones de inicialización. Para superar este desafío, propusimos un sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN integrado con el sistema de calentamiento microfluídico que permite la detección repetible de iones Ag+. Los iones Ag+ de unión se disocian calentándolos y enjuagándolos a través del dispositivo de calentamiento microfluídico integrado. El hidrogel ligado al aptámero de ADN tenía la capacidad de detectar una amplia gama de concentraciones de iones Ag+ (10-5-10 mM), incluida una gama tóxica para varios organismos acuáticos. Finalmente, demostramos la detección repetible de los iones Ag+. Estos resultados indicaron que se espera que nuestro sensor bioquímico propuesto se use para monitoreo a largo plazo con alta estabilidad a temperatura ambiente y bajo consumo de energía.

Los sensores bioquímicos que responden a compuestos químicos y producen señales detectables tienen un papel fundamental en muchos aspectos de la sociedad moderna porque los seres humanos son mucho menos sensibles al entorno químico o biológico que al entorno físico, como la luz, la presión, la temperatura o la humedad1. Por ejemplo, las moléculas específicas del interior del cuerpo humano, como los metabolitos, los iones metálicos y las hormonas, reflejan la salud de la persona, mientras que las sustancias químicas del medio ambiente, incluidos los metales pesados, los explosivos y las toxinas, pueden influir en las plantas y los animales, incluidos los humanos2,3. Para promover la salud de una persona y mejorar el medio ambiente, se espera medir dicha información biométrica y ambiental repetidamente durante un largo período. Hacia la realización de mediciones repetibles durante un largo período, se anticipa el desarrollo de sensores bioquímicos altamente sensibles y repetibles.

Aunque se han desarrollado varios tipos de sensores bioquímicos4,5,6,7, los sensores de ácidos nucleicos funcionales1, que utilizan ADN, ARN u otros ácidos nucleicos como elemento de detección, se han centrado recientemente en sensores bioquímicos de nueva generación. Entre los sensores de ácidos nucleicos funcionales, el aptámero de ADN, que es ADN monocatenario con una secuencia de bases específica, ha atraído mucha atención porque un aptámero de ADN se une específicamente a una sustancia objetivo con una alta selectividad de unión. Hasta la fecha, se han informado varias sustancias diana para los aptámeros de ADN, incluidas sustancias biológicas como el factor de crecimiento derivado de plaquetas, la trombina, la cocaína y sustancias tóxicas para el medio ambiente, incluidos los iones Ag+, los iones Hg2+, los iones Pb2+ y los iones Sr2+8,9. Además, los aptámeros de ADN son materiales estables: el aptámero de ADN podría desnaturalizarse térmicamente y renaturalizarse durante muchos ciclos sin perder la capacidad de unión1. Aprovechando estas características, se han desarrollado varios tipos de sensores bioquímicos de aptámeros de ADN9,10. La mayoría de estos sensores bioquímicos de aptámeros de ADN emplean señales de fluorescencia11,12, electroquímica13,14 y longitud de onda visible15 como sus salidas. Sin embargo, esos sensores bioquímicos de aptámero de ADN podrían medir sus moléculas diana solo una vez porque esos sensores no tenían una función para disociar la unión de las moléculas diana al aptámero de ADN. Para la medición repetible del sensor bioquímico de aptámero de ADN, es necesario inicializar el sensor bioquímico de aptámero de ADN disociando y eliminando la molécula objetivo en los sensores bioquímicos de aptámero de ADN.

Para superar este desafío, proponemos la detección repetible de iones Ag+ utilizando un sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN integrado con un sistema de calentamiento de microfluidos (Fig. 1a). El sensor bioquímico propuesto se dividió en tres componentes: un hidrogel ligado a aptámeros de ADN, un microcalentador y un microcanal. Los aptámeros de ADN que se unen específicamente a los iones Ag+16,17 se entrecruzan con la red de polímeros de hidrogel de acrilamida para convertir los iones Ag+ en un cambio de volumen del hidrogel (Fig. 1b). Basado en la investigación previa17, la secuencia de aptámero de ADN que puede cambiar su estructura recta a la estructura de horquilla cuando se usa la unión de iones Ag + al aptámero de ADN (Fig. 1c). El cambio de volumen del hidrogel unido al aptámero de ADN se desencadena por el plegamiento del aptámero de ADN al capturar los iones Ag+. Más detalladamente, los pares de bases mediados por plata (C–Ag(I)–C) en el aptámero de ADN se forman entre los residuos C y cambian su estructura a la estructura de horquilla (Fig. 1c)17. Las estructuras de horquilla provocan el arrastre de la red de polímeros de hidrogel entrecruzado, lo que lleva a la contracción del hidrogel unido al aptámero de ADN. Para el uso repetible del hidrogel unido al aptámero de ADN reducido, los iones Ag+ que se unen al aptámero de ADN se disocian calentándolos y enjuagándolos con el dispositivo de calentamiento microfluídico, lo que permite que el hidrogel unido al aptámero de ADN se hinche hasta el estado inicial. Usando este mecanismo, el sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN propuesto podría detectar repetidamente iones Ag+ porque los aptámeros de ADN en el hidrogel tienen la capacidad de capturar el ion Ag+ nuevamente. En este artículo, investigamos las propiedades de la capacidad de respuesta de los iones Ag+ del hidrogel ligado al aptámero de ADN y caracterizamos el rendimiento de calentamiento del dispositivo de calentamiento de microfluidos. Como prueba de concepto, finalmente demostramos la detección repetible de iones Ag+ mediante el sensor bioquímico de hidrogel ligado al aptámero de ADN integrado con el dispositivo de calentamiento de microfluidos.

( a ) Ilustración esquemática del sensor bioquímico de hidrogel vinculado al aptámero de ADN integrado con el dispositivo de calentamiento microfluídico para la detección repetible de sustancias químicas. (b) El hidrogel unido al aptámero de ADN cambia su volumen debido a la formación de la estructura de horquilla del aptámero de ADN que captura iones Ag+. (c) La estructura del aptámero Ag-DNA cambia reversiblemente al unirse y disociar los iones Ag+.

Para el sensor bioquímico de hidrogel ligado al aptámero de ADN, se utilizó poliacrilamida como material de red polimérica para fijar el aptámero de ADN debido a dos características del hidrogel de acrilamida: estabilidad a temperatura ambiente (4–100 °C)18 y falta de respuesta a los iones Ag+. Elegimos el aptámero de ADN de iones Ag+ (Fig. 1c) porque los iones Ag+ son un indicador común para examinar la toxicidad en el ambiente acuoso3. Los extremos del aptámero de ADN se han modificado con éster de N-succinimidilo de ácido metacrílico para entrecruzarse con la red de acrilamida. Para fabricar el sensor de aptámero de ADN, una solución pregel (0,20 g/mL de acrilamida, 0,133 % (p/p) de N,N'-metilenbis (acrilamida) como reticulante, 0,5 % (v/v) de Irgacure1173 como un fotoiniciador y un aptámero de ADN de iones Ag+ (0, 40, 400 µM en solución pregel)) se vertieron en moldes de polidimetilsiloxano (PDMS) (Diámetro: dm = 3 mm, Espesor: t = 0,5 mm o Diámetro : dm = 2 mm, Espesor: t = 0,3 mm), luego reticulado por radiación UV. Finalmente, los hidrogeles unidos a aptámeros de ADN fabricados se colocaron en agua pura durante 3 horas para que se hincharan absorbiendo el agua pura circundante.

En primer lugar, verificamos el comportamiento de contracción del hidrogel unido al aptámero de ADN a los iones Ag+. Los diámetros del hidrogel ligado al aptámero de ADN fabricado, dgel, fueron de 4,6 mm cuando usamos el molde con un diámetro de 3 mm: dm = 3 mm y el grosor: t = 0,5 mm (Fig. 2a izquierda). Al sumergir el hidrogel unido al aptámero de ADN en una solución de CH3COOAg para aplicar los iones Ag+ 10 mM, el hidrogel unido al aptámero de ADN (aptámero de ADN: 400 µM en la solución previa al gel) se contrajo con éxito (Fig. 2a derecha). Por otro lado, el hidrogel de acrilamida pura (sin aptámero de ADN) no respondió a ninguna concentración de iones Ag+ (Fig. 2b, cuadrado blanco). Estos resultados mostraron que la contracción del hidrogel fue causada por el aptámero de ADN. Por lo tanto, también se considera que el aptámero de ADN se unió específicamente a los iones Ag+ y cambió su estructura a la estructura de horquilla.

(a) El cambio de volumen del hidrogel unido al aptámero de ADN al aplicar los iones Ag+ 10 mM. La barra de escala es de 500 µm. (b) La relación entre la relación de contracción de los hidrogeles unidos a aptámeros de ADN y las variadas concentraciones de iones Ag+. (c) La variación temporal de la relación de contracción, ε, a diferentes concentraciones de iones Ag+. ( d ) La variación temporal de la relación de contracción, ε, para los hidrogeles unidos a aptámeros de ADN con diferentes tamaños. (e) La detección de iones Ag+ en las muestras ambientales.

En segundo lugar, la concentración de iones de Ag+ aplicada se varió de 10−5 a 10 mM para observar la influencia de la concentración de iones de Ag+ en la proporción de contracción del hidrogel unido al aptámero de ADN. El hidrogel ligado al aptámero de ADN se contrajo isotrópicamente19. La relación de contracción, ε, se definió como

donde A0 era un área de hidrogel unido a aptámero de ADN antes de la respuesta y A (t) era un área de hidrogel unido a aptámero de ADN en un tiempo de respuesta t. Las proporciones de contracción de los hidrogeles unidos a aptámeros de ADN con diferentes densidades de aptámeros de ADN (aptámeros de ADN 40 µM y 400 µM en las soluciones previas al gel) aumentaron a medida que aumentaba la concentración de iones Ag+ (Fig. 2b, cuadrado gris y triángulo gris). El hidrogel con aptámero de ADN de alta densidad (400 µM en solución de pregel) cambió en gran medida su volumen (ε = 0,84 a iones Ag+ 10 mM, relación de cambio de volumen: 0,77) (Fig. 2b, cuadrado gris), mientras que el hidrogel con el aptámero de ADN de baja densidad (40 µM en solución pregel) cambió ligeramente su volumen (ε = 0,95 a iones Ag+ 10 mM, relación de cambio de volumen: 0,93) (Fig. 2b, triángulo gris). Estos resultados mostraron que el hidrogel ligado al aptámero de ADN podría aplicarse para medir la concentración de iones Ag+ y que la sensibilidad del sensor bioquímico del hidrogel ligado al aptámero de ADN se puede ajustar de acuerdo con la cantidad de aptámero de ADN en el hidrogel.

Luego, examinamos la velocidad de respuesta del hidrogel ligado al aptámero de ADN debido a la concentración de iones Ag+ aplicados (60 mM, 6 mM o 0,6 mM). Los hidrogeles unidos a aptámeros de ADN cambiaron gradualmente su volumen cuando se aplicaron iones Ag+ 60 mM, iones Ag+ 6 mM e iones Ag+ 0,6 mM, y los cambios de volumen convergieron en ~ 1 h (Fig. 2c cuadrado rojo y cuadrado azul, película 1). Mediante el uso de un software de análisis de datos (IGOR Pro, WaveMetrics), las proporciones de contracción trazadas, ε, se aproximaron mediante una función exponencial y se calculó una constante de tiempo de la función exponencial, τ, para comparar la velocidad de respuesta del ADN ligado al aptámero. sensor de hidrogel Las constantes de tiempo, τ, fueron aproximadamente las mismas que 16,3 min (iones Ag+ 60 mM, Fig. 2c cuadrado rojo), 11,4 (iones Ag+ 6 mM, Fig. 2c cuadrado verde) y 18,6 min (iones Ag+ 0,6 mM, Fig. 2c). 2c cuadrado azul), mientras que las proporciones de contracción fueron muy diferentes (iones Ag+ 60 mM: ε = 0,62, iones Ag+ 6 mM: ε = 0,68, iones Ag+ 0,6 mM: ε = 0,77). Estos resultados indican que la velocidad de respuesta del hidrogel ligado al aptámero de ADN no se vio afectada predominantemente por la concentración de iones Ag+.

Luego, se observó la influencia de la relación superficie-volumen (Rs,v) al cambiar el diámetro de los hidrogeles unidos a aptámeros de ADN. Se fabricaron hidrogeles ligados a aptámeros de ADN con diferentes diámetros (dgel = 2,7 mm y 4,6 mm) con diferentes tamaños de moldes (dm = 2 mm, t = 0,3 mm, Rs,v = 8,67 y dm = 3 mm, t = 0,5 mm , Rs,v = 5,33) y se aplicó con los iones Ag+ 10 mM. Los diámetros del hidrogel unido al aptámero de ADN disminuyeron de 2,7 a 2,5 mm (ε = 0,88, Fig. 2d cuadrado azul) y de 4,6 a 4,2 mm (ε = 0,84, Fig. 2d rojo), respectivamente. La constante de tiempo del hidrogel unido a aptámero de ADN más pequeño (dgel = 2,7 mm, Rs,v = 8,67) fue más rápida (τ = 3,9 min) que el hidrogel unido a aptámero de ADN más grande (dgel = 4,6 mm, Rs,v = 5,33 , τ = 19,0 min). Estos resultados mostraron que la velocidad de respuesta mejora al aumentar la relación superficie-volumen del hidrogel unido al aptámero de ADN sin disminuir la relación de contracción.

A continuación, se observó la detección de iones Ag+ en las muestras ambientales. Las muestras ambientales se obtuvieron de una pecera y un río (Información de apoyo S1, Fig. S1). Los hidrogeles unidos a aptámeros de ADN (aptámeros de ADN 400 µM en las soluciones previas al gel) se sumergieron en las muestras ambientales con o sin iones Ag+ 10 mM adicionales durante 2 h. El hidrogel vinculado al aptámero de ADN se encogió con ε = 0,76 en respuesta a los iones múltiples en la muestra de la pecera (Fig. 2e, barra de marco rojo). Al sumergirse en la muestra de la pecera con Ag+ 10 mM, el hidrogel unido al aptámero de ADN se contrajo en gran medida con ε = 0,65 (Fig. 2e, barra roja). Similar a la muestra de la pecera, el hidrogel ligado al aptámero de ADN se encogió en gran medida al sumergir la muestra del río con iones Ag+ 10 mM (control: ε = 0,64, muestra con Ag+ 10 mM: ε = 0,59, Fig. 2e azul barras). Estos resultados indicaron que el hidrogel unido al aptámero de ADN se vio afectado por los iones múltiples en el entorno circundante. Sin embargo, los aptámeros de ADN propuestos en este estudio se unen específicamente a los iones Ag+ y forman la estructura de horquilla, lo que lleva a una gran contracción del hidrogel vinculado al aptámero de ADN (Información de apoyo S2, Fig. S2)15. De hecho, existe una clara diferencia en las proporciones de contracción del hidrogel unido al aptámero de ADN con y sin iones Ag+. Por lo tanto, el sensor propuesto puede detectar los iones Ag+ en los entornos circundantes midiendo la diferencia del comportamiento de contracción.

La temperatura de disociación de los iones Ag+ del aptámero de ADN se estima a partir de la temperatura de fusión, Tm. El aptámero de ADN tiene cinco pares de bases AT y cinco pares C-Ag(I)-C cuando captura iones Ag+. En el método de Wallace y en investigaciones previas16, la temperatura de fusión de un dúplex de ADN aumenta 2 °C por par de bases AT (Tm, AT) y 8 °C por pares C–Ag(I)–C (Tm, CAgC), respectivamente. Por lo tanto, la temperatura de fusión, Tm, podría calcularse como

Para calentar el hidrogel unido al aptámero de ADN hasta la temperatura de fusión para la disociación de los iones Ag+, fabricamos el dispositivo de calentamiento microfluídico (Fig. 3a izquierda). El dispositivo de calentamiento de microfluidos se divide en dos componentes principales: el microcalentador y el microcanal. El microcalentador hecho por la capa de Au estampada (espesor: ~ 175 nm, ancho: 1 mm, Fig. S3a) puede calentar una solución acuosa que fluye en el microcanal mediante un calor Joule generado al aplicar corriente eléctrica (Fig. 3a derecha). El microcanal (ancho: 3 mm, altura: 1 mm) tiene una cámara de retención de gel (diámetro: 7 mm, altura: 1,5 mm) para fijar el hidrogel ligado al aptámero de ADN en el flujo (Fig. S3b). La distancia desde la entrada hasta la cámara de retención de gel fue de 15 mm.

( a ) Ilustración esquemática e imágenes del dispositivo de calentamiento de microfluidos para inicializar el hidrogel unido al aptámero de ADN para la detección repetida. La barra de escala es de 1 mm. ( b ) Imagen termográfica del dispositivo de calentamiento de microfluidos cuando se suministra agua DI y se calienta mediante el microcalentador. La barra de escala es de 5 mm. (c) La relación entre la distancia desde la entrada y la temperatura del microcanal. La barra de escala es de 5 mm. ( d ) Medición de la temperatura del curso del tiempo de la cámara de retención de gel. La barra de escala es de 5 mm.

Luego, se examinaron las características del dispositivo de calentamiento microfluídico fabricado. El agua DI se suministró a la cámara de retención de gel usando la bomba de jeringa a flujo constante (5 µL/s) y el agua DI suministrada se calentó con el microcalentador (corriente: 0,35 A). Al comienzo del calentamiento (5 s), la parte superior de la cámara de retención de gel aún estaba a baja temperatura (< 30 °C, Fig. 3b a la izquierda). Después de 50 s de calentar el agua DI, la parte superior de la cámara se calentó con éxito a más de 50 °C (Fig. 3b derecha). Al medir la distribución de temperatura, la temperatura del microcanal aumentó gradualmente desde la entrada hasta la cámara de gel y la temperatura en la cámara de retención de gel alcanzó ~ 70 °C (Fig. 3c). Además, la medición de la temperatura a lo largo del tiempo mostró que la temperatura de la parte superior de la cámara de gel alcanzó los 50 °C en aproximadamente 40 s (Fig. 3d). A partir de entonces, la temperatura en la cámara de retención de gel se hizo converger a 70 °C. Estos resultados indicaron que el hidrogel unido a aptámeros de ADN colocado en la cámara de gel podría calentarse por encima de la temperatura de fusión del hidrogel unido a aptámeros de ADN, Tm = 50 °C, utilizando el dispositivo de calentamiento microfluídico fabricado.

Finalmente, se verificó la detección repetida de iones Ag+ con el hidrogel ligado al aptámero de ADN. El hidrogel unido al aptámero de ADN (400 µM) se encogió con la relación de contracción, ε = 0,74, en la primera respuesta a los iones Ag+ 10 mM (Fig. 4 gráfico azul). Luego, los iones Ag+ capturados con el hidrogel unido al aptámero de ADN se disociaron mediante calentamiento y lavado (Flujo de agua DI: 1 µL/s, corriente eléctrica: 0,30 A) durante 120 min para inicializar el sensor. El voltaje aplicado se aumentó a medida que aumentaba la temperatura del microcalentador. Por lo tanto, al usar la corriente aplicada (0,30 A) y el voltaje después de la convergencia (6,9 V), el consumo de energía del dispositivo de microfluidos se calculó en 2,07 W. El hidrogel unido al aptámero de ADN inicializado se hinchó y la relación de contracción, ε, se recuperó. a 0,92 (Fig. 4, gráfico rojo). Se cree que la razón por la cual el hidrogel unido al aptámero de ADN no se hinchó completamente al estado inicial se debe a la deformación plástica de la red de hidrogel de acrilamida que se arrastró al plegarse el aptámero de ADN. Posteriormente, el hidrogel unido al aptámero de ADN respondió a iones Ag+ 10 mM y se disoció calentando y lavando de manera repetida. La relación de contracción de la segunda y la tercera respuesta fueron ε = 0,74 y ε = 0,75 (Fig. 4, diagramas azules), que fueron casi el mismo valor de la primera respuesta, lo que demuestra que la capacidad de respuesta del hidrogel unido al aptámero de ADN se mantuvo incluso después de repetidas respuestas. En la segunda inicialización, la relación de contracción del hidrogel unido al aptámero de ADN también se recuperó a ε = 0,93, que también era el mismo valor de la primera inicialización (Fig. 4 diagramas rojos). Por lo tanto, estos resultados mostraron que nuestro sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN propuesto integrado con el dispositivo de calentamiento microfluídico podría detectar iones Ag+ repetidamente.

La detección repetible de iones Ag+ mediante el uso del sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN.

Nuestro sensor de hidrogel ligado a aptámero de ADN propuesto integrado con el dispositivo de calentamiento de microfluidos mostró la capacidad de la respuesta repetida a los iones Ag+. Este es el primer concepto propuesto para mediciones repetibles de sensores bioquímicos de hidrogel ligados a aptámeros de ADN mediante la inicialización con calentamiento Joule. Los iones de plata son dañinos para los organismos acuáticos sensibles: 1–5 µg/L de iones Ag+ en un ambiente acuoso mataron especies sensibles de organismos acuáticos, incluidas especies representativas de insectos, dáfnidos, anfípodos, truchas, platijas y daces; 100–401 µg/L de iones Ag+ mataron a varios animales marinos, incluidos vieiras, caracoles y truchas arcoíris; 3000 µg/L de iones Ag+ mataron bacterias marinas3. El comportamiento de contracción del hidrogel unido al aptámero de ADN se vio ligeramente afectado por los iones múltiples en las muestras ambientales15,20,21. Sin embargo, también se reveló que el hidrogel unido al ADN-aptámero propuesto se une específicamente a los iones Ag+, lo que lleva a una gran contracción. El hidrogel ligado al ADN-aptámero propuesto podría detectar los iones Ag+ en las muestras ambientales comparando el comportamiento de contracción. Por lo tanto, el sensor bioquímico repetible propuesto podría aplicarse al monitoreo de la calidad del agua a largo plazo que es necesario para lograr una sociedad sostenible.

La inicialización del sensor propuesto se demostró por el bajo consumo de energía (aproximadamente 2,07 W), que es una característica eficaz para el uso a largo plazo. En cuanto al objetivo de detección del sensor propuesto, varios tipos de objetivos podrían ser aceptables gracias a la variación de las secuencias de aptámeros de ADN8,9,22. Además, la sensibilidad y la velocidad de respuesta del sensor podrían ajustarse por la densidad del aptámero de ADN en el hidrogel y el tamaño de todo el hidrogel, respectivamente, según los objetivos de detección.

Para el uso práctico del sensor bioquímico ligado al aptámero de ADN propuesto, es necesario un sistema de medición de volumen automático que pueda obtener el diámetro del hidrogel en el dispositivo de calentamiento de microfluidos porque el cambio de volumen del hidrogel se midió manualmente en este documento. Por ejemplo, un sensor de imagen de semiconductor de óxido de metal complementario (CMOS) ha sido un candidato atractivo porque el sensor de imagen CMOS es estable, económico y se conecta fácilmente a dispositivos microfluídicos para monitorear ópticamente la condición interna del dispositivo23. Además, podría ser prácticamente efectivo que el cambio de volumen del hidrogel unido al aptámero de ADN se convierta en otra información, como el cambio de color visible. Por ejemplo, también se espera que un cristal coloidal fotónico que pueda convertir el cambio de volumen en el cambio de longitud de onda visible se integre con el hidrogel ligado al aptámero de ADN porque el cristal coloidal fotónico se puede fabricar en el hidrogel15,21,24,25. Con respecto a los objetivos de detección, el hidrogel vinculado al aptámero de ADN puede responder a los otros objetivos, incluidos los iones de metales pesados, cambiando el aptámero de ADN8,20,21. Dado que el principio básico de la unión del aptámero de ADN a las sustancias objetivo es el mismo, el flashing con los dispositivos de calentamiento de microfluidos propuestos en este estudio puede aplicarse a otros hidrogeles vinculados al aptámero de ADN. La temperatura de fusión, Tm, es diferente por el número de pares de bases unidos y la fuerza de unión entre las sustancias objetivo y los pares de bases, pero podría estimarse como en la ecuación. (2). El dispositivo de calentamiento de microfluidos propuesto puede aplicar cualquier estímulo térmico ajustando la corriente, por lo que el hidrogel vinculado al aptámero de ADN con diferentes aptámeros de ADN también podría detectar las sustancias objetivo repetidamente. Con esas mejoras, creemos que la detección repetida de sustancias químicas de nuestro cuerpo o en entornos podría automatizarse por completo con nuestros sistemas de sensores de hidrogel basados en aptámeros de ADN propuestos.

Propusimos la detección repetible de iones Ag+ mediante el uso del sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN integrado con el sistema de calentamiento microfluídico. El sensor bioquímico de hidrogel ligado al aptámero de ADN puede detectar la amplia gama de concentraciones de iones Ag+ (10−5–10 mM), incluida la gama tóxica para varios organismos acuáticos. Nuestro sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN propuesto podría detectar los iones Ag+ tres veces calentando y lavando a través del dispositivo de calentamiento de microfluidos. El hidrogel vinculado al ADN-aptámero es estable frente a una amplia gama de temperaturas (4–100 °C), por lo que se espera que nuestro sensor bioquímico propuesto se use para el monitoreo a largo plazo con alta estabilidad a temperatura ambiente y bajo consumo de energía. En el futuro, también esperábamos que nuestro sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN propuesto pudiera aplicarse para detectar varios objetivos de nuestro cuerpo o en entornos mediante el ajuste de la secuencia de aptámero de ADN.

La solución de gel previo (0,20 g/ml de acrilamida (Wako, 012-00762) + 0,133 % (p/p) de N,N'-metilenbis (acrilamida) (reticulador, Wako, 018-03282) + 0,5 % ( v/v) Irgacure 1173 (fotoiniciador, BASF, 30472687) + aptámero de ADN de iones Ag+ (secuencia de aptámero: CH2=C(CH3)–C(=O)–NH-5′-CTCTCTTCTCAAA-AAACACAACACAC-3′-NH– C(=O)–C(CH3)=CH2, 0, 40, 400 µM en solución de pregel, sintetizado por el servicio de oligo de Tsukuba) se usó para fabricar el hidrogel unido a aptámero de ADN. Las soluciones de pregel se vertieron en un molde de PDMS (Diámetro: dm = 3 mm, Espesor: t = 0,5 mm o Diámetro: dm = 2 mm, Espesor: t = 0,3 mm, material base: agente de curado = 10:1, Toray, SILPOT 184) y el PDMS El molde se cubrió con placas de vidrio (22 × 22 mm, n.° 1, Matsunami). Luego, la solución de pregel en el molde de PDMS se entrecruzó mediante irradiación UV. Para reemplazar el electrolito en la solución de ADN con agua DI , el hidrogel unido al aptámero de ADN fabricado se sumergió en 8 ml de agua DI durante 3 h y se lavó tres veces.

El dispositivo de calentamiento de microfluidos se dividió en la parte del microcalentador y la parte del microcanal. La pieza del microcalentador se fabricó mediante el siguiente proceso (los detalles del diseño se describieron en Información de apoyo). Las capas de cromo (Cr: ~ 5 nm) y oro (Au: ~ 175 nm) se depositaron sobre un sustrato de vidrio (S9111, Matsunami) mediante un evaporador de vacío (VE-2012, dispositivo de vacío) como capa de adhesión y un microcalentador capa de alambre, respectivamente. Para el micropatrón del patrón del microcalentador, el sustrato depositado de Cr/Au se prehorneó a 100 °C durante 2 min, seguido de un recubrimiento por rotación de un fotorresistente positivo (OFPR-800-20CP, Tokyo ohka kogyo) a 2000 rpm y luego al horno a 100 °C durante 4 min. El UV se irradió al sustrato revestido con fotoprotector a través de una fotomáscara usando un alineador de máscara (EMA-400, Union). La capa fotorresistente fue desarrollada por NMD-3 (hidróxido de tetrametilamonio al 2,38%, Tokyo ohka kogyo) después de la irradiación UV, y luego el fotorresistente residual se eliminó mediante cenizas de plasma O2 (SEDE-P, meiwafosis) durante 10 s. El Cr/Au expuesto se grabó con un grabador de Au (0,2 M KI + solución de yodo 0,033 M; KI: 164-03972, Wako; Solución de yodo: 094-01705, Wako) y un grabador Cr (Kato Chemicals), respectivamente. Después de lavar dos veces con agua desionizada, la capa fotorresistente se eliminó con acetona (013-00356, Wako), seguido de un enjuague con etanol (057-00456, Wako) y limpieza con plasma de O2 durante 30 s. Para el cableado a la parte del microcalentador, se conectaron hilos de Cu (2UEW0,26 mm, armonet de Kyowa) al patrón de Au a través de una pasta conductora (No Solder, Elephantech). Finalmente, un Cytop (CTL-809 M, productos químicos AGC) se revistió por rotación sobre el sustrato grabado con Au con 1000 rpm para el aislamiento y luego se horneó a 180 ° C durante 2 h.

A continuación, para la fabricación de microcanales (el diseño detallado se describió en Información de apoyo), el PDMS (material base: agente de curado = 10:1) se vertió en un molde de acrílico y se curó calentando a 75 °C durante 2 h. . La parte del microcanal fabricado se colocó en la parte del calentador después de que se abriera una entrada mediante una biopsia con sacabocados (φ1 mm, BP-10F, Kai medical). La entrada se conectó a una bomba de jeringa (KD Scientific, LEGATO 180) a través de un tubo Tefzel (VICI, 1/16″ × 0,5 ETFE).

El hidrogel unido al aptámero de ADN se observó mediante un microscopio de contraste de fase invertido (OLYMPUS, IX73P1-22FL/PH). Para observar la respuesta a los iones Ag+, el hidrogel unido al aptámero de ADN se sumergió en soluciones de acetato de plata (CH3COOAg) de 1 µM a 10 mM durante 120 min. Para comparar la velocidad de respuesta, mediante el uso de un software de análisis de datos (IGOR Pro, WaveMetrics), las relaciones de contracción trazadas, ε, se aproximaron mediante una función exponencial y se calculó una constante de tiempo de la función exponencial, τ, para comparar la velocidad de respuesta del sensor de hidrogel ligado a aptámero de ADN.

Para la detección de iones Ag+ en las condiciones ambientales, las muestras ambientales se obtuvieron de la pecera y del río. El hidrogel unido al aptámero de ADN (aptámero de ADN: 400 µM en la solución de pregel) se sumergió en las muestras ambientales con o sin Ag+ 10 mM.

Para investigar la función del microcalentador del dispositivo de calentamiento de microfluidos, se aplicó una corriente eléctrica (0,35 A) a la parte del microcalentador mediante una fuente de alimentación (PS40-20A, TEXIO). El agua DI se indujo a 5 µL/s en la parte del microcanal mediante la bomba de jeringa. La temperatura del microcanal se midió con una cámara termográfica (ETS320, FLIR).

Para la detección repetible usando el hidrogel unido a aptámero de ADN, se repitieron tres procesos seguidos tres veces. En primer lugar, el hidrogel unido al aptámero de ADN (aptámero de ADN: 400 µM en la solución previa al gel) respondió a los iones Ag+ sumergiéndolo en una solución de CH3COOAg 10 mM durante 120 min. Luego, el hidrogel unido al aptámero de ADN se calentó y lavó con el sistema de calentamiento de microfluidos (Flujo de agua DI: 1 µL/s, corriente eléctrica: 0,30 A) durante 120 min para disociar los iones Ag+. Finalmente, el hidrogel unido al aptámero de ADN se enfrió en agua DI (20 ° C) durante 120 min.

Liu, J., Cao, Z. & Lu, Y. Sensores de ácidos nucleicos funcionales. química Rev. 109, 1948–1998 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Madera, JM Ciclos biológicos de elementos tóxicos en el medio ambiente. Ciencia (80-) 183, 1049–1052 (1974).

Artículo ADS CAS Google Académico

Howe, PD & Dobson, S. Plata y compuestos de plata: Aspectos ambientales. Int. conciso química Evaluar. Doc. https://doi.org/10.3109/19401736.2015.1046169 (2002).

Artículo Google Académico

Lambeck, PV Sensores ópticos integrados para el dominio químico. medida ciencia Tecnología 17, R93–R116 (2006).

Artículo ADS CAS Google Académico

Roh, S., Chung, T. & Lee, B. Descripción general de las características de los sensores de resonancia de plasmones superficiales micro y nanoestructurados. Sensores 11, 1565–1588 (2011).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Gao, W. et al. Conjuntos de sensores portátiles completamente integrados para el análisis de transpiración in situ multiplexado. Naturaleza 529, 509–514 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Yetisen, AK et al. Sensores fotónicos de hidrogel. Biotecnología. Adv. 34, 250–271 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Liu, J. Hidrogeles funcionalizados con oligonucleótidos como materiales sensibles a estímulos y biosensores. Materia blanda 7, 6757–6767 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhang, H., Zhou, L., Zhu, Z. y Yang, C. Avances recientes en sondas funcionales basadas en aptámeros para bioanálisis y biomedicina. química Un euro. J. 22, 9886–9900 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Wang, Y. et al. Cómo construir hidrogeles de ADN para aplicaciones medioambientales: tratamiento de agua avanzado y análisis medioambiental. Pequeño 14, 1–19 (2018).

ANUNCIOS Google Académico

Li, T., Ackermann, D., Hall, AM y Famulok, M. Inducción dependiente de la entrada de motivos estructurales de oligonucleótidos para realizar la lógica molecular. Mermelada. química Soc. 134, 3508–3516 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Shukoor, MI y col. Ensamblaje de aptámero-nanopartícula para detección basada en lógica. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 4, 3007–3011 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Zhou, M. & Dong, S. Ingeniería de interfaz bioelectroquímica: hacia la fabricación de biosensores electroquímicos, celdas de biocombustible y biosensores lógicos autoalimentados. Cuenta química Res. 44, 1232–1243 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Hayat, A. & Marty, JL Sensores electroquímicos basados en aptámeros para contaminantes ambientales emergentes. Frente. química 2, 1–9 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Ye, B. et al. Respuesta lógica colorimétrica basada en hidrogeles de cristal coloidal funcionalizados con aptámero. Nanoescala 7, 7565–7568 (2015).

Artículo ADS CAS Google Académico

Ono, A. et al. Interacciones específicas entre iones de plata (i) y pares de citosina-citosina en dúplex de ADN. química común https://doi.org/10.1039/b808686a (2008).

Artículo Google Académico

Ono, A., Torigoe, H., Tanaka, Y. & Okamoto, I. Unión de iones metálicos por pares de bases de pirimidina en dúplex de ADN. química Soc. Rev. 40, 5855–5866 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Mane, S., Ponrathnam, S. y Chavan, N. Efecto de la reticulación química en las propiedades de las microesferas de polímero: una revisión. Poder. química Trans. 3, 473–485 (2016).

Google Académico

Sennakesavan, G., Mostakhdemin, M., Dkhar, LK, Seyfoddin, A. y Fatihhi, SJ Hidrogeles a base de ácido acrílico/acrilamida y sus propiedades: una revisión. polim. degradar Puñalada. 180, 109308 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Wang, C., Li, F., Bi, Y. & Guo, W. Modulación reversible de cristales fotónicos 2D con una película de hidrogel de ADN con memoria de forma sensible. Adv. Mate. Interfaces 6, 1–8 (2019).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Ye, BF et al. Aptasensor colorimétrico de hidrogel fotónico para el cribado de iones de metales pesados. Nanoescala 4, 5998–6003 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Hermann, T. & Patel, DJ Reconocimiento adaptativo por aptámeros de ácidos nucleicos. Ciencia (80-) 287, 820–825 (2000).

Artículo ADS CAS Google Académico

Tokuda, T. et al. Sensor de glucosa implantable basado en un sensor de imagen CMOS que utiliza hidrogel fluorescente sensible a la glucosa. biomedicina Optar. Expreso 5, 3859 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Tsuchiya, M., Kurashina, Y. & Onoe, H. Sensores flexibles bioquímicos repetibles y reconocibles por los ojos que utilizan microesferas de hidrogel de cristal coloidal fotónico dependientes de ángulo bajo. ciencia Rep. 9, 1–10 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Ge, J. & Yin, Y. Cristales fotónicos sensibles. Angew. química En t. ed. 50, 1492–1522 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Descargar referencias

Subvención de ayuda para investigación desafiante (exploratoria) (20K21828) y Subvención de ayuda para investigación desafiante (pionera) (21K18164) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS), Japón.

Estos autores contribuyeron por igual: Koki Yoshida y Tomoki Hayashi.

Escuela de Posgrado en Ingeniería de Diseño Integrado, Universidad de Keio, 3-14-1 Hiyoshi, Kohoku-Ku, Yokohama, 223-8522, Japón

Koki Yoshida, Tomoki Hayashi y Hiroaki Onoe

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad de Keio, 3-14-1 Hiyoshi, Kohoku-Ku, Yokohama, 223-8522, Japón

Hiroaki Onoe

Departamento de Informática, Escuela de Informática, Instituto de Tecnología de Tokio, 4259 Nagatsutacho, Midori-Ku, Yokohama, 226-8502, Japón

masahiro takinoue

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

KY y TH contribuyeron por igual. TH y HO diseñó el estudio. MT contribuye al diseño y modificación de aptámeros de ADN. KY y TH realizaron los experimentos. KY y HO escribieron el manuscrito. Todos los autores han aprobado la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Hiroaki Onoe.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Vídeo complementario 1.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Yoshida, K., Hayashi, T., Takinoue, M. et al. Detección repetible de iones Ag+ utilizando un sensor bioquímico de hidrogel ligado a aptámero de ADN integrado con un sistema de calentamiento microfluídico. Informe científico 12, 9692 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13970-z

Descargar cita

Recibido: 07 Diciembre 2021

Aceptado: 31 de mayo de 2022

Publicado: 11 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13970-z

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.

Blog

Detección repetible de iones Ag+ utilizando un aptámero de ADN