• شماره ركورد
    24897
  • شماره راهنما
    CHE3 260
  • عنوان

    تك زيست‌حسگر DNA براي تشخيص اهداف نوكلئيك و غيرنوكلئيك اسيدي براساس واكنش گسترش آغازگر

  • مقطع تحصيلي
    دكتري
  • رشته تحصيلي
    شيمي-شيمي تجزيه
  • دانشكده
    شيمي
  • تاريخ دفاع
    1404/05/06
  • صفحه شمار
    110 ص.
  • استاد راهنما
    مسعود آيت اللهي مهرجردي
  • استاد مشاور
    فاطمه جوادي زرنقي
  • كليدواژه فارسي
    واكنش تبادل پرايمر , زيست‌حسگر الكتروشيميايي , برچسب عمومي , دوقطبي الكتروشيميايي نورتابي , ويروس كرونا , سرطان سينه
  • چكيده فارسي
    در ميان انواع مختلف زيست‌حسگرها، زيست‌حسگرهاي الكتروشيميايي مبتني برDNA، به دليل برخورداري از بالاترين سطح حساسيت و گزينش‌پذيري، جايگاه برجسته‌اي دارند. بر اين اساس، هدف اصلي اين رساله، طراحي يك زيست‌حسگر DNA است كه قابليت تشخيص و پاسخگويي به طيف گسترده‌اي از اهداف، اعم از نوكلئيك اسيدها و غير نوكلئيك اسيدها را داشته باشد.نوآوري كليدي در اين روش، به كارگيري واكنش گسترش پرايمر (PER) براي تبديل هر نوع هدفي به عنوان ورودي، به يك رشته DNA با توالي مشخص است. اين مكانيسم، نياز به فرآيند پرهزينه و زمان‌بر بهينه‌سازي مجدد حسگر براي هر هدف جديد را به طور كامل مرتفع مي‌سازد. در واقع، با استفاده از اين رويكرد برنامه‌پذير و خودكار و با استفاده از ساختارهاي سنجاق‌سري DNA كاتاليزوري، امكان شناسايي همزمان نشانگرهاي غير نوكلئيك اسيدي و نوكلئيك اسيدها در يك سامانه واحد فراهم مي‌شود. در اين واكنش، پرايمر به اين ساختارها متصل شده و با كمك پليمراز، رشته DNAبه ترتيبي كه از پيش تعيين شده است، توسعه مي‌يابد و سپس به طور خودبه‌خود از آن‌ها جدا مي‌شود تا واكنش مجدداً انجام شود. در واقع، در هر زيست‌حسگر پس از سنتز توالي‌هاي مكمل با روشPER، اين توالي‌ها با رشته‌هاي تيوله‌شده روي الكترود طلا يكبارمصرف كه از روي سي دي آرشيوي ساخته شده بود، هيبريد شدند و در نهايت، با استفاده از روش الكتروشيميايي دوقطبي يكپارچه كه همراه با نورتابي الكتروشيميايي در يك سامانه (BPE-ECL) ادغام شده بود، مورد سنجش قرار گرفت. اين روش پتانسيل بالايي براي تشخيص مولكولي چندكاره و سريع دارد . براي تشخيص نوكلئيك اسيدها (مانند بخشي از توالي ژنوم SARS-CoV-2)، RNA ژنومي به صورت cDNA (يك نسخه DNA تك‌رشته‌اي است كه از روي RNA به وسيله رونويسي معكوس ساخته مي‌شود) رونوشت‌برداري معكوس شده و در طول PER با يك توالي عمومي (مانند AGGGTT) برچسب‌گذاري مي‌شود. محصول گسترش‌يافته با يك پروب تيوله‌شده كه روي الكترود دو قطبي تثبيت شده، هيبريد مي‌شود و پاسخ الكتروشيمي‌ به صورت توليد نور مي‌باشد كه با يك دوربين ديجيتال قابل تشخيص هستند. اين سامانه در محدوده خطيM17 -10 - 7 -10 داراي حد تشخيص پايين M 7 -10¬× 31/2 است و قادر به تمايز بين نمونه‌هاي باليني با مقادير چرخه آستانه (Ct) متفاوت بدون نياز به تجهيزات پيچيده است. اندازه‌گيري ها روي يك سامانه دوقطبي الكتروشيمي نورتابي باز انجام شد. براي اهداف غير نوكلئيك اسيدي (مانند سلول‌هاي سرطان سينه)، از يك راهكار PER تلفيق‌شده با آپتامر (Apta-primer) استفاده مي‌شود. آپتا-پرايمر (مانند AS1411) به نوكلئولين روي سلول‌هاي سرطاني متصل شده و پس از تشخيص هدف، PER را براي اتصال همان برچسب عمومي كه براي تشخيص ويروس كوويد به كار برده مي شد براي اين هدف هم، واكنش را آغاز مي‌كند. پاسخ نورتابي الكتروشيمي حاصل با غلظت هدف ارتباط مستقيم دارد. اندازه گيري ها با لوله تكثيركننده نور (PMT) بر روي يك سامانه دوقطبي الكتروشيمي بسته يكپارچه بدون نياز به سل و الكترود پيشران خارجي و با حداقل مصرف الكتروليت (10 ميكروليتر( انجام شد. اين سامانه در محدوده خطي 12 تا 60 سلول در ميكروليتر، حد تشخيص 4 سلول در ميكروليتر را ارائه مي‌دهد. اين زيست‌حسگر به طور همزمان قادر به تشخيص سلول‌هاي سرطاني از سلولهاي نرمال در نمونه هاي مخلوط با نسبت درصد سلولي متفاوت است. نكته كليدي اين است كه طراحي الكترود دوقطبي براي تمام اهداف يكسان باقي مي‌ماند و طيف وسيعي از اهداف را صرفاً با تغيير ورودي PER مي توان تشخيص داد. دراين پژوهش، فرآيند تشخيص هدف (نمونه هاي ويروسي و سلول سرطاني) از ادغام واكنش هاي PERو با الكتروشيمي نورتابي دوقطبي، روشي كلي براي توسعه سريع زيست‌حسگرها ارائه مي‌دهد. انعطاف‌پذيري اين سامانه—كه قابل توسعه براي ويروس‌ها، بيماري‌ها و زيست‌نشانگرهاي ديگر است—آن را به ابزاري كليدي در پاسخ به همه‌گيري‌ها و ابزارهاي تشخيصي دقيق در پزشكي تبديل مي‌كند. اين زيستحسگرهاي عمومي با قابليت تشخيص طيف گستردهاي از آناليتها، فرآيندهاي تشخيص را ساده و سريع مي‌كنند و با كاهش نياز به ساخت حسگر اختصاصي براي هر هدف، هزينه و زمان توسعه را كاهش مي‌دهند و در حوزههاي مختلف پزشكي، محيط زيست و صنايع قابليت كاربرد دارند. حساسيت بالا و اندازه كوچك آنها امكان استفاده در دستگاه‌هاي قابل حمل و توسط كاربران غيرمتخصص را در آينده فراهم ميكند. .
  • كليدواژه لاتين
    Primer exchange reaction , Electrochemical biosensor , Universal tag , Electrochemiluminescence Bipolar , Coronavirus , Breast cancer
  • عنوان لاتين
    A Primer Extension reaction driven DNA Biosensor for the detection of nucleic an‎d non-nucleic acid Targets
  • گروه آموزشي
    شيمي تجزيه
  • چكيده لاتين
    Among various types of biosensors, electrochemical DNA-based biosensors hold a prominent position due to their possession of the highest levels of sensitivity an‎d selec‎tivity. Accordingly, the primary objective of this thesis is to design a DNA biosensor capable of detecting an‎d responding to a wide range of targets, including both nucleic acids an‎d non-nucleic acid targets.The key innovation of this method is the employment of the Primer Exchange Reaction (PER) to convert any target input into a specific DNA stran‎d with a predetermined sequence. This mechanism completely eliminates the need for the costly an‎d time-consuming process of re-optimizing the sensor for each new target. In fact, by using this programmable an‎d automated approach, which utilizes catalytic DNA hairpin structures, the simultaneous detection of non-nucleic acid markers an‎d nucleic acids within a single system is made possible. In this reaction, the primer binds to these structures an‎d, with the help of polymerase, the DNA stran‎d is extended in a pre-defined sequence before automatically dissociating to allow the reaction to repeat. Subsequently, in each biosensor, after synthesizing complementary sequences via the PER method, these sequences were hybridized with thiolated stran‎ds on a disposable gold electrode fabricated from an archival CD. Finally, detection was carried out using an integrated bipolar electrochemical method combined with electrochemiluminescence in a single system (BPE-ECL). This method holds significant potential for versatile an‎d rapid molecular diagnostics. For nucleic acid detection (such as specific genomic sequences of SARS-CoV-2), the following process was performed: Genomic RNA was first reverse transcribed into cDNA (A single-stran‎ded DNA copy is synthesized from RNA through reverse transcription). During the Primer Extension Reaction (PER), the target sequence was tagged with a universal sequence (e.g., AGGGTT). The extended product was then hybridized with a thiolated probe immobilized on the bipolar electrode.The electrochemical response was manifested through light emission, which was quantitatively detected using a digital camera. The developed system demonstrated a wide linear detection range from 10⁻⁷ to 10⁻¹⁷M with a low detection limit of 2.31 × 10⁻¹⁷ M. The capability to distinguish between clinical samples with different threshold cycle (Ct) values without requiring complex instrumentation. All measurements were performed on an open bipolar electrochemiluminescence (BPE-ECL) system, highlighting the platformʹs simplicity an‎d effectiveness for clinical diagnostics. For non-nucleic acid targets (such as breast cancer cells), we employed an integrated PER-aptamer strategy utilizing an "apta-primer" system. The apta-primer (e.g., AS1411) specifically binds to nucleolin expressed on cancer cell surfaces. Following target recognition, it initiates a Primer Extension Reaction (PER) to attach the same universal DNA tag (AGGTTT) previously implemented for COVID-19 detection, thereby establishing a stan‎dardized detection framework. The resulting electrochemiluminescence (ECL) signal demonstrates a direct linear correlation with target concentration. Measurements were acquired using a photomultiplier tube (PMT). Implemented on a fully integrated, closed bipolar electrochemistry system featuring: Elimination of external driving electrodes. Minimal electrolyte consumption (10 µL). This system shows a detection limit of 4 cells/µL in a linear range of 12 to 60 cells/µL. This biosensor is capable of simultaneously distinguishing cancer cells from normal cells in mixed samples with different cell percentage ratios. The core feature of this platform is its consistent bipolar electrode design, which remains unchanged across different targets. A broad spectrum of analytes can be detected simply by modifying the primer extension reaction (PER) input.
  • تعداد فصل ها
    3
  • فهرست مطالب pdf
    141102
  • نويسنده

    شادمان بهمبري، سيده ملاحت