Developing, Characterizing, and Modeling CRISPR-Based Point-of-Use Pathogen Diagnostics

清脆的 计算生物学 分子诊断学 生物 病菌 计算机科学 生物技术 生化工程 遗传学 工程类 基因
作者
Jaeyoung K. Jung,Kathleen S. Dreyer,Kate E. Dray,Joseph J. Muldoon,Jithin D. George,Sasha Shirman,Maria D. Cabezas,Anne E. d’Aquino,Matthew S. Verosloff,Kosuke Seki,Grant A. Rybnicky,Khalid K. Alam,Neda Bagheri,Michael C. Jewett,Joshua N. Leonard,Niall M. Mangan,Julius B. Lucks
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssynbio.4c00469
摘要

Recent years have seen intense interest in the development of point-of-care nucleic acid diagnostic technologies to address the scaling limitations of laboratory-based approaches. Chief among these are combinations of isothermal amplification approaches with CRISPR-based detection and readouts of target products. Here, we contribute to the growing body of rapid, programmable point-of-care pathogen tests by developing and optimizing a one-pot NASBA-Cas13a nucleic acid detection assay. This test uses the isothermal amplification technique NASBA to amplify target viral nucleic acids, followed by the Cas13a-based detection of amplified sequences. We first demonstrate an in-house formulation of NASBA that enables the optimization of individual NASBA components. We then present design rules for NASBA primer sets and LbuCas13a guide RNAs for the fast and sensitive detection of SARS-CoV-2 viral RNA fragments, resulting in 20-200 aM sensitivity. Finally, we explore the combination of high-throughput assay condition screening with mechanistic ordinary differential equation modeling of the reaction scheme to gain a deeper understanding of the NASBA-Cas13a system. This work presents a framework for developing a mechanistic understanding of reaction performance and optimization that uses both experiments and modeling, which we anticipate will be useful in developing future nucleic acid detection technologies.
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