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CN107144603B - 一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器、制备方法及其应用 - Google Patents

一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器、制备方法及其应用 Download PDF

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CN107144603B
CN107144603B CN201710343854.3A CN201710343854A CN107144603B CN 107144603 B CN107144603 B CN 107144603B CN 201710343854 A CN201710343854 A CN 201710343854A CN 107144603 B CN107144603 B CN 107144603B
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Abstract

一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器及其应用，将SH‑DNA修饰在金电极上，然后，将含有赖氨酸的多肽修饰在金电极上，制备得到电化学生物传感器。然后，利用组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶使含有赖氨酸的多肽在电中性和正电性之间转化，从而，脱离和吸附在电极表面，引起阻抗变化，实现对组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶的检测。与现有技术相比，本发明传感器的制备方法简单，耗能低，利用电极的电化学阻抗改变构建与组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶的线性关系，实现对两种酶的检测。所以，此传感器具有较高的灵敏度和稳定性。

Description

一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器、制备方法及 其应用
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，具体涉及一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器、制备方法及其应用，可用于对乙酰化酶及去乙酰化酶的检测。
背景技术
蛋白质的乙酰化，即蛋白质的乙酰基共价修饰，在真核细胞的调控中是一个重要的翻译后修饰的机理，它可以调节细胞中蛋白质之间的相互作用、蛋白质的稳定性以及信号传导，以此来调控生理反应和疾病恶化。
在不同种类蛋白质的乙酰化作用中，赖氨酸乙酰化作用作为主要的翻译后修饰存在于真核和原核生物中，在表观遗传标记体系中，由组蛋白乙酰化酶作用的组蛋白的赖氨酸乙酰化是一个典型的“组蛋白编码”，这与转录活动、组蛋白的沉积、DNA的复制以及DNA的修补息息相关。组蛋白乙酰化酶将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白氨基端的带正电荷的赖氨酸残基上，产生了电中性的乙酰化的赖氨酸和染色质结构的解凝与基因表达的激活。
组蛋白乙酰化酶活性导致的异常基因沉默与许多疾病的发病机理都有关，例如：癌症、代谢综合征以及神经紊乱。组蛋白乙酰化酶的活性和组蛋白乙酰化酶抑制剂的效能很大程度上有助于抗癌药物的发现，同样也有助于基因转录的生物化学调查研究。因此，设计一种简单、快速、灵敏的组蛋白乙酰化酶活性检测方法极其重要。
迄今为止，关于检测组蛋白乙酰化酶活性的方法包括同位素放射法和基于量子点的荧光免疫方法。前者会产生放射性废物而且过程繁琐耗时。后者以其优越的灵敏度受到广泛的关注。然而只能终点检测，不能持续监测，甚至还需要一些复杂的标记。所以，发展一种简单快捷无标记的方法对组蛋白乙酰化酶活性的检测是令人期待的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器及其制备方法，将SH-DNA修饰在金电极上，然后，将含有赖氨酸的多肽修饰在金电极上，制备得到电化学生物传感器。
本发明还有一个目的在于提供一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器的应用，利用组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶使含有赖氨酸的多肽在电中性和正电性之间转化，从而，脱离和吸附在电极表面，引起阻抗变化，实现对组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶的检测。
本发明提供的一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将抛光处理后的金电极浸入SH-DNA的缓冲溶液中，培养，然后取出，清洗，得到修饰了SH-DNA的金电极；
2)将步骤1)得到的修饰了SH-DNA的金电极浸入含有赖氨酸的多肽的缓冲溶液，培养，得到静电作用的阻抗型电化学生物传感器。
进一步的，步骤1)中所述SH-DNA的缓冲溶液制备方法为：将购买的2.5OD的SH-DNA序列溶解在Tris-HCl缓冲溶液中，得到浓度为100μM的SH-DNA缓冲溶液，在4℃下保存备用；
所述2.5OD的SH-DNA序列厂家：Sangon Biotechnology Co.Ltd(Shanghai,China)。
所述SH-DNA序列为：SH-ACTATGTTCCTTTTCCACCACCAA；
进一步的，步骤1)中所述培养是指：在室温下培养10h；
步骤1)中所述抛光处理后的金电极是指：金电极先依次用0.3和0.5mm的铝粉进行抛光处理，再依次放入体积比HNO3:H2O＝1:1的溶液、乙醇溶液、超纯水中，进行超声波清洗，超声清洗的时间分别为3～5min。
步骤2)中所述含有赖氨酸的多肽的缓冲溶液制备方法为:将购买的含有赖氨酸的多肽溶解在Tris-HCl缓冲溶液中得到浓度为1μM的多肽缓冲溶液，在4℃下保存备用。
步骤(2)中所述含有赖氨酸的多肽为：RGKGGKGLGKGGAKA，K为赖氨酸；厂家：Sigma-Aldrich(Shanghai,China)。
步骤2)中所述培养是指：在37℃下培养1h。
本发明提供的一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器，采用上述方法制备得到。
本发明还提供了一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器检测组蛋白乙酰化酶的应用，检测方法为：
将上述制备得到的基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器浸入含有组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶的缓冲溶液中，培养，清洗，检测所得电极的电化学阻抗，构建电极的电化学阻抗与组蛋白乙酰化酶的线性关系，实现对其检测。
进一步的，检测组蛋白乙酰化酶时，组蛋白乙酰化酶的浓度分别为：0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1,5,10,50,100nM；组蛋白乙酰化辅酶浓度均为1μM。
进一步的，检测组蛋白乙酰化酶时，所述培养条件为在37℃下培养1h；清洗。
所用的组蛋白乙酰化辅酶(Ac-CoA)购买于Sigma-Aldrich(Shanghai,China)，乙酰基的活化形式，参与乙酰化反应；
检测组蛋白乙酰化酶时，检测过程在室温下的电化学工作站CHI660B完成；电化学阻抗的条件是：0.1-100kHz，含有5mM[Fe(CN)6]-3/-4和0.1M KCl的缓冲溶液。
本发明还提供了一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器检测组蛋白去乙酰化酶的应用，检测方法为：
将制备得到的基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器浸入含有组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶的缓冲溶液中，培养，然后，得到的电极浸入组蛋白去乙酰化酶和1β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物NAD+中，培养，清洗，测电化学阻抗；构建电极的电化学阻抗与组蛋白去乙酰化酶的线性关系，实现对其检测。
检测组蛋白去乙酰化酶的具体检测方法为：
将制备得到的基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器浸入含100nM有组蛋白乙酰化酶和1μM组蛋白乙酰化辅酶的缓冲溶液中，37℃下培养1h，然后，得到的电极分别浸入含有0,1,2,4,6,8,10,50,100,200,400nM的组蛋白去乙酰化酶和1μM的β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物NAD+中，37℃下培养1h，清洗，测电化学阻抗；构建电极的电化学阻抗改变与组蛋白去乙酰化酶的线性关系，实现对其检测。
检测过程中，β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物(NAD+)是一种辅酶，参与去乙酰化反应；检测过程在室温下的电化学工作站CHI660B完成，测电化学阻抗的条件是：0.1-100kHz，含有5mM[Fe(CN)6]-3/-4和0.1MKCl的缓冲溶液。
本发明中所用的缓冲溶液均为Tris-HCl缓冲溶液的pH为7.4，浓度为0.1M。
所有的清洗都是用超纯水清洗。
本发明利用的原理是：由于多肽在组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶的作用下，可以在正电性与电中性之间转换，使之吸附和脱离电极表面，导致电极电化学阻抗的变化，不同浓度的组蛋白乙酰化酶或组蛋白去乙酰化酶阻抗不同，因此修饰电极作为传感器可以对不同浓度的组蛋白乙酰化酶及组蛋白去乙酰化酶进行定量检测。
与现有技术相比，本发明传感器的制备方法简单，耗能低，利用电极的电化学阻抗改变构建与组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶的线性关系，实现对两种酶的检测。所以，此传感器具有较高的灵敏度和稳定性。
附图说明
图1为基于静电作用的阻抗型电化学传感器检测组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶的示意图；
图2为电极组装过程的电化学阻抗表征；
a为裸金电极；
b为SH-DNA修饰的金电极；
c为多肽修饰的SH-DNA修饰的金电极；
d为组蛋白乙酰化酶修饰的多肽和SH-DNA修饰的金电极；
e为组蛋白去乙酰化酶修饰的组蛋白乙酰化酶、多肽和SH-DNA修饰的金电极；
图3为电极组装过程的循环伏安表征；
a线为裸金电极；
b线为SH-DNA修饰的金电极；
c线为多肽修饰的SH-DNA修饰的金电极；
d线为组蛋白乙酰化酶修饰的多肽和SH-DNA修饰的金电极；
e线为组蛋白去乙酰化酶修饰的组蛋白乙酰化酶、多肽和SH-DNA修饰的金电极；
图4为组蛋白乙酰化酶培养时间的优化；
图5为组蛋白去乙酰化酶培养时间的优化；
图6为在最佳培养时间下，不同浓度的组蛋白乙酰化酶修饰的电极对电化学阻抗的响应曲线：a 0nM，b 0.1nM，c 0.2nM，d 0.3nM，e 0.4nM，f 0.5，nM,g 1nM，h 5nM,i 10nM,j 50nM,k 100nM；
图7为校准曲线，横坐标为组蛋白乙酰化酶浓度的对数，纵坐标为阻抗差，阻抗差是指不同浓度的组蛋白乙酰化酶阻抗与浓度为0时组蛋白乙酰化酶阻抗的差值；
图8为在最佳培养时间下，不同浓度的组蛋白去乙酰化酶修饰的电极对电化学阻抗的响应曲线：a 0nM，b 1nM，c 2nM，d 4nM，e 6nM，f 8nM，g10nM，h 50nM,i 100nM,j200nM,k 400nM；
图9为校准曲线，横坐标为组蛋白去乙酰化酶浓度的对数，纵坐标为阻抗差，阻抗差是指不同浓度的组蛋白去乙酰化酶阻抗与浓度为0时组蛋白去乙酰化酶阻抗的差值；
图10为组蛋白乙酰化酶修饰的电极在4℃保存1-5h后的阻抗响应；
图11为组蛋白去乙酰化酶修饰的电极在4℃保存1-5h后的阻抗响应。
具体实施方式
实施例1
一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)、配置0.1M，pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液，用于溶解DNA，多肽等。
(2)、将购买的SH-DNA序列(SH-ACTATGTTCCTTTTCCACCACCAA)溶解配制的在0.1M磷酸盐缓冲溶液(pH 7.4)中，并在4℃下保存备用；将购买的含有赖氨酸的多肽溶解在Tris-HCl缓冲溶液中得到浓度为1μM的多肽缓冲溶液，在4℃下保存备用；将购买的组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶、组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶溶解在0.1M pH＝7.4磷酸盐缓冲溶液中，并在-4℃下保存备用。
(3)、金电极先依次用0.3和0.5mm的铝粉进行抛光处理，再依次放入体积比HNO3:H2O＝1:1溶液、乙醇溶液、超纯水中，进行超声波清洗，超声清洗的时间分别为3～5min，将抛光后的金电极浸泡在含有100μM的SH-DNA(SH-ACTATGTTCCTTTTCCACCACCAA)的缓冲溶液中，室温下培养10h，通过金硫键使SH-DNA结合到电极表面；
(4)、将修饰了SH-DNA的金电极浸泡在浓度为1μM的多肽(RGKGGKGLGKGGAKA，K为赖氨酸)溶液中，在37℃下培养1h，多肽通过静电作用吸附到电极表面，得到静电作用的阻抗型电化学生物传感器。
实施例2
制备的静电作用的阻抗型电化学生物传感器用于检测组蛋白乙酰化酶可行性研究：
将实施例1得到的修饰电极浸入含组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶的溶液中，37℃培养1h；其中组蛋白乙酰化酶浓度分别为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1,5,10,50,100nM，组蛋白乙酰化辅酶浓度始终为1μM，培养结束，清洗，晾干，测电化学阻抗。
制备的静电作用的阻抗型电化学生物传感器用于检测组蛋白去乙酰化酶的可行性研究：
将实施例1得到的修饰电极浸入含100nM组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶的溶液中，37℃培养1h；其中组蛋白乙酰化酶浓度为，组蛋白乙酰化辅酶浓度1μM，然后，分别浸入含组蛋白去乙酰化酶和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物的溶液中，37℃培养1h，组蛋白去乙酰化酶浓度分别为0,1,2,4,6,8,10,50,100,200,400nM，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物浓度始终为1μM，培养后清洗，晾干，测电化学阻抗。
组装过程中，电极表面分别用电化学阻抗(图2)和循环伏安法表征(图3),证明组装过程是成功的。电化学阻抗值的变化说明该实验是可行的。
实施例3
制备的传感器检测组蛋白乙酰化酶优化条件：
将实施例1制备的传感器浸入含有组蛋白乙酰化酶(100nM)和乙酰化辅酶(1μM)的缓冲溶液中，在37℃的恒温箱中分别反应10、20、30、40、50、60、70、80min,检测电化学阻抗值。
实验体系的阻抗值随时间的增加而减少，但是60min以后阻抗值的减少不明显，如图4，所以选择组蛋白乙酰化酶的反应时间60min为最优时间。
实施例4
制备的传感器检测组蛋白去乙酰化酶优化条件：
将实施例1得到的修饰电极浸入含100nM组蛋白乙酰化酶和1μM组蛋白乙酰化辅酶的溶液中，37℃培养1h；然后，将与组蛋白乙酰化酶反应后的电极浸入含有组蛋白去乙酰化酶(400nM)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物(1μM)中，在37℃的恒温箱中分别反应10、20、30、40、50、60、70、80min,检测电化学阻抗值。
实验体系的阻抗值随时间的增加而增加，但是60min以后阻抗值的增加不明显，如图5，所以选择组蛋白去乙酰化酶的反应时间60min为最优时间。
实施例5
根据实施例3探索的最优试验条件，将实施例1得到的修饰电极浸入含组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶的溶液中，37℃培养1h；其中组蛋白乙酰化酶浓度分别为0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1,5,10,50,100nM，组蛋白乙酰化辅酶浓度始终为1μM，37℃下培养1h,培养结束，清洗，测电化学阻抗，构建线性关系，如图6、7，实现对组蛋白乙酰化酶活性的检测。
实施例6
根据实施例6探索的最优试验条件，将实施例1得到的修饰电极浸入含100nM组蛋白乙酰化酶和1μM组蛋白乙酰化辅酶的溶液中，37℃培养1h，然后，将与组蛋白乙酰化酶反应后的电极浸入含有组蛋白去乙酰化酶和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物的溶液中，组蛋白去乙酰化酶浓度分别为0nM,1nM,2nM,4nM,6nM,8nM,10nM,50nM,100nM,200nM,400nM，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物浓度始终为1μM；检测电化学阻抗值，构建线性关系，如图8、9，实现对组蛋白去乙酰化酶活性的检测。

Claims (9)

1.一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将抛光处理后的金电极浸入SH-DNA的缓冲溶液中，培养，然后取出，清洗，得到修饰了SH-DNA的金电极；
2)将步骤1)得到的修饰了SH-DNA的金电极浸入含有赖氨酸的多肽的缓冲溶液，培养，得到静电作用的阻抗型电化学生物传感器；
步骤1)中所述SH-DNA序列为：SH-ACTATGTTCCTTTTCCACCACCAA。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述培养是指：在室温下培养10h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述含有赖氨酸的多肽为：RGKGGKGLGKGGAKA，K为赖氨酸。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述培养是指：在37℃下培养1h。
5.一种基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的方法制备得到。
6.一种权利要求5所述的基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器检测组蛋白乙酰化酶的应用，其特征在于，检测方法为：
将上述制备得到的基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器浸入含有组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶的缓冲溶液中，培养，清洗，检测所得电极的电化学阻抗，构建电极的电化学阻抗与组蛋白乙酰化酶的线性关系，实现对其检测。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，检测组蛋白乙酰化酶时，组蛋白乙酰化酶的浓度分别为：0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,1,5,10,50,100nM；组蛋白乙酰化辅酶浓度均为1μM，所述培养条件为在37℃下培养1h。
8.一种权利要求5所述的基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器检测组蛋白去乙酰化酶的应用，其特征在于，检测方法为：将基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器浸入含有组蛋白乙酰化酶和组蛋白乙酰化辅酶的缓冲溶液中，培养，然后，得到的电极浸入组蛋白去乙酰化酶和1β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物NAD+中，培养，清洗，测电化学阻抗；构建电极的电化学阻抗与组蛋白去乙酰化酶的线性关系，实现对其检测。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，检测组蛋白去乙酰化酶的具体检测方法为：
将制备得到的基于静电作用的阻抗型电化学生物传感器浸入含100nM有组蛋白乙酰化酶和1μM组蛋白乙酰化辅酶的缓冲溶液中，37℃下培养1h，然后，得到的电极分别浸入含有0,1,2,4,6,8,10,50,100,200,400nM的组蛋白去乙酰化酶和1μM的β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水合物NAD+中，37℃下培养1h，清洗，测电化学阻抗；构建电极的电化学阻抗与组蛋白去乙酰化酶的线性关系，实现对其检测。
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