[論文レビュー] Electrical probing of COVID-19 spike protein receptor binding domain via a graphene field-effect transistor

Xiaoyan Zhang, Qige Qi+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2020

Advanced biosensing and bioanalysis techniques被引用数 54

ひとこと要約

本研究は、グラフェン場効果トランジスタ免疫センサを用いて、COVID-19スパイクタンパク質S1 RBDを高感度で迅速に検出し、リアルタイムで高親和性抗体のスクリーニングを可能にすることを示している。

ABSTRACT

Here, in an effort towards facile and fast screening/diagnosis of novel coronavirus disease 2019 (COVID-19), we combined the unprecedently sensitive graphene field-effect transistor (Gr-FET) with highly selective antibody-antigen interaction to develop a coronavirus immunosensor. The Gr-FET immunosensors can rapidly identify (about 2 mins) and accurately capture the COVID-19 spike protein S1 (which contains a receptor binding domain, RBD) at a limit of detection down to 0.2 pM, in a real-time and label-free manner. Further results ensure that the Gr-FET immunosensors can be promisingly applied to screen for high-affinity antibodies (with binding constant up to 2*10^11 M^-1 against the RBD) at concentrations down to 0.1 pM. Thus, our developed electrical Gr-FET immunosensors provide an appealing alternative to address the early screening/diagnosis as well as the analysis and rational design of neutralizing-antibody locking methods of this ongoing public health crisis.

研究の動機と目的

• COVID-19スパイクタンパク質S1リセプター結合ドメイン（RBD）用の迅速でラベルフリーな免疫センサを開発する。
• グラフェン場効果トランジスタ（Gr-FET）の感度を活用して、迅速なスクリーニング/診断を実現する。
• センサの検出限界とRBDに対する抗体の結合親和性を評価する能力を評価する。

提案手法

• グラフェン場効果トランジスタを製造・機能化して抗体-抗原相互作用を担わせる。
• 抗体-抗原結合を用いてGr-FETを介して電気信号を変換し、リアルタイム検出を行う。
• スパイク S1 RBDの検出を、検出限界0.2 pMで実証する。
• 0.1 pM濃度で、結合定数が最大で2×10^11 M^-1の高親和性抗体のスクリーニングの可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン場効果トランジスタ免疫センサは、COVID-19スパイクタンパク質RBDを迅速かつラベルフリーに検出できるか？
• RQ2 Gr-FET免疫センサのRBDに対する検出限界と応答時間はどのくらいか？
• RQ3 Gr-FETプラットフォームはRBDに対する高親和性抗体をスクリーニングできるか、またどの濃度で可能か？

主な発見

• Gr-FET免疫センサは約2分でCOVID-19スパイクS1 RBDを検出する。
• センサはRBDに対する検出限界を0.2 pMまで達成する。
• このシステムはRBDに対して2×10^11 M^-1までの結合定数を持つ高親和性抗体のスクリーニングが可能。
• 抗体-抗原相互作用はリアルタイムでラベルフリーの方法で検出される。
• 試験された濃度範囲は高親和性抗体スクリーニングのため0.1 pMまで含む。