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THz-PCR技术在法医检测中展现应用前景

更新时间:2023-02-27      点击次数:532

 

PCR(聚合酶链式反应)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术,应用十分广泛,而THz(Tera Hertz,太赫兹)是波动频率单位之一,指频率在0.1~10 THz(波长为3000~30μm)范围内的电磁波。二者结合起来的THz-PCR是一种创新型的新技术,近期国科大温州研究院PI张峰老师课题组在美国工程技术-材料科学类期刊ACS Applied Materials & Interfaces杂志上发表了题为“THz-PCR Based on Resonant Coupling between Middle Infrared and DNA Carbonyl Vibrations”的文章,研究探讨了基于中红外线与DNA羰基振动共振耦合的THz-PCR。

 

背景介绍:

生物大分子的旋转和振动能级落在太赫兹(THz)波的能量范围内,而太赫兹波又可以通过共振耦合方式与生物分子相互作用。在过去的几十年里,THz技术已经发展起来,通过光谱成像来区分正常组织和癌症组织,例如,通过监测DNA甲基化的分子共振指纹图谱来早期诊断癌症细胞。在过去几年中,太赫兹(THz)的应用对生物医学、人工智能甚至发展等重要领域都产生了重大影响。由于THz能量远低于化学键活力,功率低于mW/cm2THz电磁波在数十分钟的照射过程中不会对角膜组织、焦点细胞、视网膜神经节细胞、皮肤成纤维细胞和脱氧核糖核酸(DNA)造成破坏性伤害,这保证了THz照射的安全应用。作者研究团队的合作者使用53.53THz激光通过与离子通道中羰基的相干共振耦合来操纵钾通道,实现了神经信号的可逆无创调节。还有其他论文报道,35.2 THz的辐射可以与DNA碱基的振动共振,并引发氢键断裂,这反过来纠正了DNA杂交的错配率,提高了折纸结构的产率。为了了解太赫兹辐射对其他生命活动的量子效应,特别是那些最重要的生化反应,例如DNA复制,作者研究团队选择了53THz激光,以实现中红外线和DNA羰基之间的振动强耦合(VSC),并探究了它对体外DNA复制(如PCR反应)的影响。

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实验方法:

准备好实验用的DNA和其它相关检测试剂、试剂盒等,然后进行PCR扩增反应,PCR实验在柏恒科技PCR仪上进行(Q3200,Bio-Gener)。PCR程序包括以下两个阶段:第一阶段之前是95°C下30秒的预变性过程,然后是八个循环,每个循环包括95°C的变性过程5秒和62°C的退火过程20秒。此外,第二阶段为30个循环,每个循环包括特殊梯度温度和梯度时间的变性过程以及37°C下的退火和延伸过程20秒。整个阶段使用PCR仪(Q3200,Bio-Gener,图S1)进行THz辐照。

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S1.THz-PCR体系实际照片。将含有PCR试剂溶液(20μL)的200μL PCR管安装到PCR仪中,无需关闭加热盖,并53.53 THz激光照射。

 

法医检测应用:目标蛋白编码基因为SOX 21,检测采用THz PCR和常规PCR。首先将血染纸切成小块,浸泡处理后将上清液直接用作PCR检测的模板。整个阶段使用PCR仪(Q3200,Bio-Gener,图S1)进行THz照射,另一个样品以相同的方案进行,没有THz照射作为对照。实验结束后进行结果分析。

 

作者研究团队中用到的PCR仪来自柏恒科技,Q3200荧光定量PCR仪是柏恒科技创新研发的一款仪器产品,双槽设计,一机两用,产品功能强大。

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实验结果:

使用聚合酶链反应(PCR)作为测量手段,研究团队发现THz照射可以将DNA双链体的变性温度降低约3°C,这允许在较低温度下进行PCR,促进长时间扩增反应而不损失酶保真度与正常加热相比,THz照射可以显著减少DNA杂交,双链DNA(dsDNA)解链变得更容易和更快。同时,PCR的效率和目的DNA的产率都得到了提高。

基于上述研究,研究团队发现THz PCR作为一种创新的DNA扩增技术,具有超高的特异性和敏感性,并成功地证明了其在法医检测中的优势。柏恒科技Q3200 荧光PCR仪在研究中发挥重要作用。

 

 

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