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致远荣誉计划本科生利用CRISPR/Cas12a技术成功开发致病菌快速核酸检测技术

近日, 2017级“致远荣誉计划”本科生王韵晴(生物医学科学方向)以第一作者身份在分子检测领域权威期刊ACS Sensors发表学术论文“A One-Pot Toolbox Based on Cas12a/crRNA Enables Rapid Foodborne Pathogen Detection at Attomolar Level”。ACS Sensors是美国化学学会(American Chemical Society,ACS)旗下知名期刊(影响因子6.9),也是JCR一区杂志。王韵晴于2019年申请加入 “致远学者研究计划”,在生物医学工程学院个性化医学研究院丁显廷教授的指导下,以“一种基于CRISPR/Cas12a的快速灵敏的致病菌检测方法”为题,开展课题研究。

食品安全直接关乎人体健康,甚至生命安全。金黄色葡萄球菌和大肠杆菌0157:H7是主要的食源性致病菌,感染者通常表现出腹泻、出血性肠炎等症状,部分严重者出现败血症甚至死亡。为了设计出一种更灵敏、更省时、更省力的核酸检测方法,王韵晴把目光投向了近年飞速发展起来的新一代基因编辑技术——CRISPR/Cas12a技术。核酸内切酶Cas12a具有切割双链DNA及单链DNA的生物活性。在crRNA (CRISPR-related RNA)的帮助下,Cas12a与待检测的靶标双链DNA结合,构象发生变化,不仅可以特异性地切割靶标DNA,还可以非特异性地切割周围的单链DNA。该小组给单链DNA标记上荧光基团F和猝灭基团Q。当细菌特异DNA片段存在时,活化的Cas12a切割单链DNA,导致F基团与Q基团分离,淬灭作用消除,F基团产生荧光,从而实现致病菌特异性高效检测的目标。

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OCTOPUS 检测流程示意图

该研究小组在上述基础上进一步开发了OCTOPUS(One-pot TOolbox with Precision and Ultra Sensitivity.)检测流程。该流程包含了基因组DNA提取、重组酶聚合酶预扩增(RPA)、Cas12a切割和荧光检测四个步骤。其中,前三个步骤在同一离心管内完成,实验人员只需在第二步RPA反应15分钟后,通过离心的方法将原本吸附于离心管盖表面的核酸内切酶Cas12a加入离心管底部的反应体系,即可完成操作。此设计大幅简化了操作过程,缩短了操作时间,同时也避免了样品交叉污染。最终,OCTOPUS检测技术在50分钟内实现阿摩尔级(aM,10-18摩尔每升)的核酸检测。这项研究成果也有望推广应用于临床诊断(SARS-CoV-2、肿瘤DNA)和基因分型等领域,造福于人类。

王韵晴 2017级 生物医学科学方向

论文第一作者王韵晴同学表示,鉴于近期全球新冠疫情的大爆发,公众对公共卫生健康投入了更多的关注。她非常期望这种具有高灵敏度和高特异性的一步式致病菌检测方法能够成为新一代的普适性检测技术,在疾病、流行病的预防和检测方面发挥重要作用。此外,感谢致远学院、致远创新研究中心对项目的大力支持,感谢自己的顾问导师丁显廷教授以及实验室师兄师姐们对实验的指导与帮助。丁显廷对前沿科技发展的关注与执着、以及对学生追求学术进步的支持和鼓励,激发了她在生物医学前沿领域自由探索的热情与勇气。

丁显廷 生物医学工程学院教授

该项目顾问导师丁显廷教授于2018年志愿加入“致远学者研究计划”,带领“致远学者”追求学术卓越。丁显廷长期致力于开发基于痕量生物样本的个体化诊疗技术,曾获得多项荣誉称号,是求是基金会“求是杰出青年奖”获得者、世界经济论坛新领军者年会(夏季达沃斯论坛)“青年科学家”。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.0c00320?ref=pdf

王韵晴 李敏 周莲
致远学院