Lanthanide-dependent RNA-cleaving DNAzymes as metal biosensors

Abstract

Lanthanides represent a group of very important but challenging analytes for biosensor development. These 15 elements are very similar in their chemical properties. So far, limited success has been realized using the rational ligand design approach. My laboratory has successfully accomplished the task of carrying out combinatorial selection to isolate lanthanide-dependent RNA-cleaving DNAzymes. We report two new DNAzymes, each discovered in a different selection condition and both are highly specific to lanthanides. When both DNAzymes are used together, it is possible to identify the last few heavy lanthanides. Upon introducing a phosphorothioate modification, one of the abovementioned DNAzymes becomes highly active with many toxic heavy metals. With the selection of more DNAzymes with different activity patterns cross the lanthanide series, a sensor array might be produced for identifying each ion. This article is a minireview of the current developments on this topic and some of the historical aspects. It reflects the main content of the Fred Beamish Award presentation delivered at the 2014 Canadian Society for Chemistry Conference in Vancouver. Future directions in this area are also discussed.Key words: lanthanides, DNAzymes, biosensors, fluorescence, metal ions.Résumé : Les lanthanides représentent un groupe d'analytes très important, mais aussi très complexe en ce qui concerne la mise au point de biocapteurs. Ces 15 éléments sont très similaires quant à leurs propriétés chimiques. Jusqu'à présent, le succès de la conception rationnelle de ligands s'est révélé limité. Mon laboratoire est parvenu avec succès à effectuer une sélection combinatoire afin d'isoler des ADNzymes de clivage d'ARN dont l'action dépend des lanthanides. Nous présentons deux nouvelles ADNzymes, dont chacune a été découverte dans des conditions de sélection différentes et qui sont toutes deux hautement spécifiques aux lanthanides. Lorsque les deux ADNzymes sont utilisées ensemble, il est possible d'identifier les quelques lanthanides les plus lourds. En apportant une modification par l'ajout de phosphorothioate, l'une des ADNzymes mentionnées plus haut devient hautement active en présence de plusieurs métaux lourds toxiques. Grâce à la sélection d'autres ADNzymes présentant différents profils d'activité en présence des divers ions de la série des lanthanides, un réseau de capteurs pourrait être produit pour permettre l'identification de chaque ion. Le présent article constitue une mini-synthèse des progrès actuels réalisés sur ce sujet et de certains des aspects historiques. Il reflète dans les grandes lignes le contenu de la présentation du prix Fred Beamish prononcée dans le cadre du congrès de la Société canadienne de chimie qui s'est tenu à Vancouver en 2014. Les orientations futures dans ce secteur de recherche sont également abordées. [Traduit par la Rédaction]

A Silver DNAzyme

“…[5][6][7][8][9][10] RNA-cleaving DNAzymes are particularly interesting since they can achieve extremely high metal sensitivity and are versatile in biosensor design. 11,12 DNAzymes are DNAbased catalysts isolated using in vitro selection. 13 They often recruit divalent metals for catalysis, and in vitro selections can be intentionally performed to evolve DNAzymes that work only in the presence of specific metals.…”

In Vitro Selection of Chromium‐Dependent DNAzymes for Sensing Chromium(III) and Chromium(VI)

“…[31] Recently, progressw as also made for monovalentN a + [32,33] and Ag + , [34] and trivalent lanthanide ions. [35][36][37][38] The interaction between chromiuma nd DNA was studied mainly in biological systems. For example, chromium(VI) crosslinks DNA in rats and in cultured cells, although it has little interactionw ith isolatedD NA.…”

A Selective Na+ Aptamer Dissected by Sensitized Tb3+ Luminescence

“…By using specific metal ions during selection, many DNAzymes have been obtained with high specificityf or Na + , [13,14] Pb 2 + , [15,16] Zn 2 + , [17] Cu 2 + , [18,19] UO 2 2 + , [20] Cd 2 + , [21] Hg 2 + , [22] and trivalentl anthanides. [23][24][25][26][27] In principle, the metal specificity is associated with am etal-binding site, however it is quite challenging to extract aptamer motifs from DNAzymes.…”