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Enzyme Kinetics and Detector Sensitivity Determine Limits of Detection of Amplification-Free CRISPR-Cas12 and CRISPR-Cas13 Diagnostics

化学 检出限 清脆的 核酸 酶动力学 分子信标 动力学 劈理(地质) 荧光 分析物 生物物理学 寡核苷酸 DNA 生物化学 色谱法 基因 活动站点 生物 量子力学 物理 古生物学 断裂(地质)
作者
Diego A. Huyke,Ashwin Ramachandran,Vladimir I. Bashkirov,Efthalia K. Kotseroglou,T. Kotseroglou,Juan G. Santiago
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:94 (27): 9826-9834 被引量:88
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.2c01670
摘要

Interest in CRISPR-Cas12 and CRISPR-Cas13 detection continues to increase as these detection schemes enable the specific recognition of nucleic acids. The fundamental sensitivity limits of these schemes (and their applicability in amplification-free assays) are governed by kinetic rates. However, these kinetic rates remain poorly understood, and their reporting has been inconsistent. We quantify kinetic parameters for several enzymes (LbCas12a, AsCas12a, AapCas12b, LwaCas13a, and LbuCas13a) and their corresponding limits of detection (LoD). Collectively, we present quantification of enzyme kinetics for 14 guide RNAs (gRNAs) and nucleic acid targets for a total of 50 sets of kinetic rate parameters and 25 LoDs. We validate the self-consistency of our measurements by comparing trends and limiting behaviors with a Michaelis–Menten trans-cleavage reaction kinetics model. For our assay conditions, activated Cas12 and Cas13 enzymes exhibit trans-cleavage catalytic efficiencies between order 105 and 106 M–1 s–1. For assays that use fluorescent reporter molecules (ssDNA and ssRNA) for target detection, the kinetic rates at the current assay conditions result in an amplification-free LoD in the picomolar range. The results suggest that successful detection of target requires cleavage (by an activated CRISPR enzyme) of the order of at least 0.1% of the fluorescent reporter molecules. This fraction of reporters cleaved is required to differentiate the signal from the background, and we hypothesize that this required fraction is largely independent of the detection method (e.g., endpoint vs reaction velocity) and detector sensitivity. Our results demonstrate the fundamental nature by which kinetic rates and background signal limit LoDs and thus highlight areas of improvement for the emerging field of CRISPR diagnostics.
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