核酸是生物化學(xué)與分子生物學(xué)的研究重點(diǎn)及依據(jù)

核酸是遺傳信息的攜帶者和基因表達(dá)的物質(zhì)基礎(chǔ)，核酸結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系不僅是生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)科的研究重點(diǎn)，也是相關(guān)遺傳性疾病與傳染病臨床診斷的重要依據(jù)。針對核酸的分析方法已在生命科學(xué)研究、藥物篩選、分子診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展。傳統(tǒng)的凝膠電泳與聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等技術(shù)存在復(fù)雜的操作與試劑的高毒性等缺點(diǎn)，因此需要發(fā)展新型的操作簡便、快速靈敏的核酸分析方法。

DNA步行器是一類特定DNA結(jié)構(gòu)在鏈置換或酶催化反應(yīng)驅(qū)動下沿特定軌道定向移動的DNA納米機(jī)器，一般由軌道組件、步行組件和驅(qū)動組件所構(gòu)成。步行組件的不斷移動一般是通過設(shè)計(jì)有偏向的系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，從高能態(tài)到較低能態(tài)的自動轉(zhuǎn)變驅(qū)動納米機(jī)器的運(yùn)行，該過程的實(shí)現(xiàn)伴隨著能量的消耗。目前，研究人員已設(shè)計(jì)構(gòu)建了各種軌道精確、自動運(yùn)行的DNA步行器，并應(yīng)用于藥物輸送、生物分子檢測、細(xì)胞成像等諸多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中。

圖1 基于雙足DNA步行器的核酸電化學(xué)傳感器示意圖

近期，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所研究員繆鵬課題組基于DNA步行器設(shè)計(jì)了多種針對核酸的超靈敏電化學(xué)分析方法。首先設(shè)計(jì)了基于切刻內(nèi)切酶催化的電化學(xué)傳感器，通過在電極界面以不同比例修飾DNA軌道分子與步行分子，在目標(biāo)分子存在下組裝成DNA三角星納米結(jié)構(gòu)，起始酶切步行反應(yīng)，通過檢測后標(biāo)記的電信號分子的響應(yīng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)核酸的檢測；接著設(shè)計(jì)了一個無標(biāo)記的自行走阻抗傳感器，在組裝的DNA四面體不同頂點(diǎn)處安置DNA步行器各組件，最終在輔助DNA探針存在條件下，顯著改變電極界面的電阻值，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)核酸分子的快速簡便地檢測；隨后，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了雙足DNA步行器，首先在合成的金磁復(fù)合納米顆粒表面進(jìn)行一步鏈置換聚合反應(yīng)，生成的單鏈DNA輔助組裝雙足DNA步行組件，并與電極界面修飾的DNA分子雜交形成Pb2+依賴型DNAzyme，驅(qū)動雙足步行，通過檢測吸附的銀納米顆粒的溶出伏安響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的核酸檢測。這些基于DNA步行器的電化學(xué)分析方法不僅可以實(shí)現(xiàn)低豐度核酸的特異性檢測，還具有反應(yīng)條件溫和、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在生物分析和基于核酸檢測的疾病診斷方面展示出極大的應(yīng)用潛力。

圖2 （A）DNA四面體形成，（B）鏈置換反應(yīng)及（C）雙足DNA步行的聚丙烯酰胺凝膠電泳驗(yàn)證，（D）循環(huán)伏安與（E）交流阻抗譜驗(yàn)證電極界面反應(yīng)過程

圖3 （A）基于雙足步行器進(jìn)行核酸檢測的線性掃描伏安圖，（B）對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線

相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（81771929）、政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（2017YFE0132300）、中科院科研裝備研制項(xiàng)目（YJKYYQ20170067）等的資助。相應(yīng)的研究成果已發(fā)表（Anal. Chem., 2019, 91, 4953-4957; Electrochem. Commun., 2019, 99, 51-55; Electrochem. Commun., 2019, 101, 1-5; New J. Chem., 2019, 43, 7928-7931）。