記事のポイント3行まとめ
- * CRISPR/Cas12aで機能化されたFETバイオセンサーは、病原体DNAを検出する。
- * 長鎖DNAの認識効率と精度を大幅に向上させ、高感度化を実現。
- * 炭疽菌DNAを10分でaMレベルで検出し、高信頼性を示す。
| タイトル（原文） | CRISPR/Cas12a-functionalized silicon nanowires field-effect transistor sensor for ultra-sensitive detection of pathogen nucleic acids. |
|---|---|
| タイトル（日本語） | CRISPR/Cas12a機能化シリコンナノワイヤ電界効果トランジスタセンサーによる病原体核酸の超高感度検出 |
| 著者情報 | Yazhao Li, Yanzhi Dou, Zhongming Lu, Yi Wang, Hong Zhou, Tie Li State Key Laboratory of Transducer Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, 865 Changning Road, Shanghai, 200050, China. State Key Laboratory of Transducer Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, 865 Changning Road, Shanghai, 200050, China. Electronic address: douyanzhi@mail.sim.ac.cn. State Key Laboratory of Transducer Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, 865 Changning Road, Shanghai, 200050, China. Electronic address: tli@mail.sim.ac.cn. State Key Laboratory of Transducer Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, 865 Changning Road, Shanghai, 200050, China; University of Chinese Academy of Sciences (UCAS), Beijing, 100190, China. |
| ジャーナル等 | Biosensors & bioelectronics 289; 117936 |
| DOI | 10.1016/j.bios.2025.117936 |
| MeSHタグ | Biosensing Techniques Nanowires Silicon CRISPR-Cas Systems Transistors, Electronic Bacillus anthracis Limit of Detection DNA, Bacterial Endodeoxyribonucleases Bacterial Proteins CRISPR-Associated Proteins |
| 出版日 | 2025/Dec/01 |
| リンク | PubMedページ | Publisherページ |
日本語アブストラクト
病原体核酸の迅速、高感度、高精度な検出は、公衆の安全と健康を確保するために極めて重要である。しかしながら、現在の方法論は依然として大きな課題に直面している。電界効果トランジスタ（FET）バイオセンサーは、高感度、高速応答、ラベルフリー検出で知られている。しかし、病原体から抽出された長鎖DNAの直接検出に用いた場合、これらのセンサーは認識効率の低さ、精度の低さ、反応時間の長期化といった問題を示す。これらの限界に対処するため、我々はCRISPR/Cas12aシステムで機能化された新規シリコンナノワイヤFETセンシング戦略を提案する。Cas12a/crRNA複合体は、長鎖二本鎖DNA（dsDNA）内の標的配列を迅速にスキャンし、正確に切断する。このメカニズムは、核酸の折り畳みや絡まりによって引き起こされる検出性能の低下を効果的に軽減し、それによって感度と精度の両方を大幅に向上させる。さらに、Cas12a/crRNAは長鎖dsDNAを特定長の断片に切断することで、それらのDebye長内への分布を確保し、シグナルの均一性を高める。このアプローチを用いて、我々は炭疽菌（Bacillus anthracis）dsDNAを10分以内に定量的に検出することに成功し、検出限界はアトモル（aM）レベルであった。さらに、実際の全ゲノムサンプルとデジタルPCRの検出結果との相関係数は0.912に達し、この戦略の信頼性を証明した。要約すると、この戦略は病原体核酸の直接検出に対する非常に価値のある参照を提供する。
英語アブストラクト
Rapid, sensitive, and accurate detection of pathogen nucleic acids is critical for ensuring public safety and health. Nevertheless, current methods still encounter significant challenges. Field-effect transistor (FET) biosensors are renowned for high sensitivity, rapid response, and label-free detection. However, when employed for the direct detection of long-chain DNA extracted from pathogens, these sensors exhibit low recognition efficiency, poor accuracy, and prolonged reaction times. To address these limitations, we propose a novel silicon nanowires FET sensing strategy functionalized with the CRISPR/Cas12a system. The Cas12a/crRNA complex rapidly scans and precisely cleaves target sequences within long double-stranded DNA (dsDNA). This mechanism effectively mitigates detection performance degradation caused by nucleic acid folding and entanglement, thereby significantly enhancing both sensitivity and accuracy. Additionally, Cas12a/crRNA cleaves long dsDNA into specific-length fragments, thereby ensuring their distribution within the Debye length and enhancing signal consistency. Using this approach, we successfully achieved quantitative detection of Bacillus anthracis dsDNA within 10 min, with a detection limit at the attomolar (aM) level. Furthermore, the correlation coefficient between detection results of real whole-genome samples and digital PCR reached 0.912, validating the reliability of this strategy. In summary, this strategy provides a highly valuable reference for the direct detection of pathogen nucleic acids.
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