《Nature》子刊RNA编辑工具是一种快速、简便的COVID-19和其他疾病检测工具

【字体: 时间:2022年09月23日 来源:Nature Chemical Biology

  

莱斯大学博士后研究员Jie Yang领导了一项努力,将Cas13基因组编辑工具改造为一种高灵敏度的检测器,用于检测导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒的存在。

一种基于CRISPR的新工程方法准确地找到了导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒的RNA。这种高灵敏度的检测器有望使COVID-19和其他疾病的检测快速而简单。莱斯大学和康涅狄格大学的合作者进一步设计了RNA编辑CRISPR-Cas13系统,以提高其检测生物样本中微量SARS-CoV-2病毒的能力。一个巨大的好处是,它不需要金标准PCR检测所需的耗时的RNA提取和扩增步骤。

与PCR检测相比,新平台非常成功。事实上,在对直接来自鼻腔拭子的临床样本进行的检测中,11例中有10例为阳性,没有假阳性。科学家们表示,他们的技术在原子浓度(10-18)中发现了SARS-CoV-2的迹象。

这项研究将于今天(2022年9月22日)发表在《Nature Chemical Biology》杂志上。由莱斯大学工程师Xue Sherry Gao和博后研究员Jie Yang领导。莱斯大学和康涅狄格大学的研究人员使用结构导向的Cas13修改了一种基因编辑工具,作为一种对SARS-CoV-2病毒是否存在的高度敏感的诊断测试。他们使用现成的电化学传感器来传递结果。

Cas13和它更为人熟知的表亲Cas9一样,是细菌抵御噬菌体入侵的自然防御系统的一部分。自CRISPR-Cas9被发现以来,科学家们已经对其进行了改造,以编辑活的DNA基因组,并显示出治疗甚至治愈疾病的巨大希望。它还可以用在其他方面。Cas13自身可以通过引导RNA增强,以发现和剪切目标RNA序列,也可以找到“抵押品”,在这种情况下,是像SARS-CoV-2这样的病毒的存在。

Gao说:“这项工作中的工程Cas13蛋白可以很容易地适应其他之前建立的平台。经过工程改造的Cas13变体的稳定性和鲁棒性使它们更适合在资源匮乏的地区进行即时诊断,当昂贵的PCR设备无法使用时。”

韦氏细螺旋体中提取的野生型Cas13不能在30到60分钟的时间内检测到细胞内的病毒RNA水平,但莱斯大学创造的增强版本在大约半小时内就能做到这一点,而且检测到的SARS-CoV-2浓度比以前的测试低得多。

关键是Cas13活跃部位附近一个隐藏得很好、灵活的发夹环。Yang说:“正是在蛋白质中间靠近催化位点的地方决定了Cas13的活性。由于Cas13是大型的动态的,找到一个站点来插入另一个功能域是一个挑战。”研究小组将七个不同的RNA结合域融合到这个环上,其中两个复合物明显优于其他的。当它们找到目标时,蛋白质会发出荧光,揭示病毒的存在。

“我们可以看到增加的活性是野生型Cas13的5到6倍,”Yang说。“这个数字看起来很小,但在蛋白质工程的一个步骤中,这是相当惊人的。但这仍然不足以检测,所以我们将整个检测从荧光板读取器转移到电化学传感器上,荧光板读取器相当大,在低资源环境中无法使用,电化学传感器具有更高的灵敏度,可以用于护理点诊断。”利用现成的传感器,这种工程蛋白在检测病毒时比野生型蛋白的灵敏度高5个数量级。

该实验室希望将其技术应用于家庭COVID-19抗体测试中的纸条,但灵敏度和准确性要高得多。“我们希望这将使测试更方便,并以更低的成本为许多目标,”Gao说。

研究人员还在研究改进寨卡病毒、登革热和埃博拉病毒的检测方法,以及心血管疾病的预测生物标志物。他们的工作可能导致对COVID-19严重程度的快速诊断。

“不同的病毒有不同的序列,”Yang说。“我们可以设计导向RNA,以我们可以检测的特定序列为目标,这就是CRISPR-Cas13系统的力量。”

但由于该项目开始时恰逢COVID-19大流行,因此SARS-CoV-2自然成为重点。她说:“这项技术适用于所有的目标。这使得它成为检测各种突变或不同冠状病毒的一个非常好的选择。”

“我们对这项结合了结构生物学、蛋白质工程和生物医学设备开发的工作感到非常兴奋,”Gao补充说。“我非常感谢我的实验室成员和合作者的所有努力。”

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