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新一代的DNA纳米机器用于快速一步传感分析

我觉得认真分析自己研究方向最新的高水准文章很重要,几篇文章看下来,一定要琢磨透,做的是什么?思考每一个部分为什么要这么做?换成其它方式为什么会达不到这一效果?我觉得通过这样子思考文献,会不断的夯实自己基础知识,便于自己构建体系。

 

1. 研究背景

A: 3D DNA纳米机器的有序性

通常,3D DNA纳米机器是以金纳米粒子(AuNPs)为基质将功能化DNA探针通过Au-S键组装到AuNPs表面,我们之前也构建了一些相关3D DNA纳米机器。通过这些工作,我们注意到了组装在AuNPs上的DNA探针是动态的,在其表面是杂乱无章、无序排列,且AuNPs与探针之间存在较多非特异性吸附,因而3D DNA纳米机器的运行效率受到了了一定的负面影响。

 

基于这些问题,通过查文献和老师讨论,我们开始思考能否突破传统的将DNA探针动态修饰在AuNPs表面的纳米机器之局限,进一步提高3D DNA纳米机器DNA组装有序性和运行效率。我们既要规避纳米颗粒作为基质带来的以上所述的负面影响,必然要寻找合适的方法来克服这一问题,我们最开始是琢磨如何改进这个纳米颗粒,想来想去最后想到不要任何基质岂不是最好的!但是不需要基质的话,DNA如何附着呢?这个3D纳米机器又如何能构建得起来?想了很久,否定了许多不成熟的想法,后面想何必舍近求远,DNA结构自己自组装,简单快速,有序且生物兼容性好,完全可以利用起来。

 

新一代的DNA纳米机器用于快速一步传感分析

本工作是对前期工作的突破,我们通过设计合理的DNA镊子(DNA nipper),基于碱基互补配对原则,在数分钟内通过一步反应自组装构建了无需固载基质的3D DNA纳米机器。通过一系列相关实验表征结果可以得出,我们成功构建了具有高密度、有序并能高效运行的3D DNA纳米机器。

 

小编评述:构建3D DNA纳米机器并很好地控制其表面探针的方向性及密度是发展拥有高负载量、优异的生物活性并且合成步骤简单的DNA纳米机器对于新一代人工纳米机器的发展具有重要意义。

 

B:3D DNA纳米机器的可逆能动性

在之前的研究中,DNA纳米机器的可逆运动多是通过链置换反应(SDR)或pH诱导来实现的,要求比较苛刻的反应实验条件和相对复杂的实验操作。从一开始,我们就希望整个实验过程简单快捷易操作,尽量“傻瓜式”,所以我们构思如何使机器可逆运动时,就坚决抛弃了通过一些复杂操作才能完成的方案。后面看到文献,偶氮苯(azo)可以嵌入核酸的结构中,在不同波长的光辐射下可引起构型的转变,导致DNA双链的解旋与杂交,且核酸嵌偶氮苯的成品在相关合成公司可以直接买到。嘿!这不就齐了!我们将偶氮苯嵌入DNA nipper的核酸结构中,在不同波长的光辐射下成功实现了DNA nipper的“开”/“关”切换,并且这种转换在10分钟内即可完成,不仅DNA纳米机器的纳米结构不被破坏,并且在没有分子浪费的情况下实现了纳米机器单步快速的可逆运动,实现了DNA纳米机器的长时间循环利用与再生。

 

小编评述:提高纳米机器的可逆能动性并保存其完整的纳米结构是提高DNA纳米机器可控性、丰富其功能性的另一重要目标。

 

C:3D DNA纳米机器应用于microRNA的灵敏、快速检测

我们希望将自己的设计应用于实际,结合我们课题组前期的工作基础与特色,将设计的光控可逆的自组装型3D DNA纳米机器应用于microRNA传感器的构建,原理如图Figure 1所示。该智能3D DNA纳米机器是由四条单链DNA(probe 1、probe 2、linker A1及linker A2)自组装而得到的(如图PART A)。其中,probe 1的两端均标记了ECL发光试剂Ru(bpy)22+,probe 2的两端均标记了Ru(bpy)22+的能量供体Alexa(AF),并且两条linker DNA分别与probe 1、probe 2部分互补。值得注意的是,自组装后probe 1与probe 2裸露出的单链即为DNA nipper,可作为分子机器完成“开”/“关”运动,并且在光照下该DNA nipper中的偶氮苯完成构型的快速转变,从而驱使分子机器完成可逆运动。当3D DNA 纳米机器完成自组装后,其DNA nipper呈“关闭状态”,此时Ru(bpy)22+与供体AF彼此远离,导致能量转移无法发生,此时传感器的ECL响应状态为“signal off”。当目标物microRNA存在时,由于microRNA可与nipper杂交,使得DNA nipper呈“打开”状态,导致Ru(bpy)22+与AF彼此靠近并发生能量转移,从而得到强ECL信号(“signal on”)。

 

如图PART B所示,当将该3D DNA纳米机器置于波长为365 nm的紫外照射下时,nipper中的偶氮苯从反式构型(trans)快速转变为顺式构型(cis),此时由于DNA/RNA双链中的空间位阻效应导致双链解旋而释放出目标物microRNA,设计的3D DNA纳米机器再次回到“关闭”状态,纳米机器实现可逆,同时基于此构建的传感器平台得以再生。相反,当将该3D DNA纳米机器置于可见光下时,nipper中的偶氮苯从顺式构型(cis)快速转变为反式构型(trans),目标物microRNA可再次与nipper杂交而回到“打开”状态。随着3D DNA纳米机器的“开”/“关”运动,ECL信号相应地增强或降低,从而实现了乳腺癌细胞中目标物microRNA单步快速的超灵敏检测,其检测限可达3.3 fmol L-1(PART C)。

新一代的DNA纳米机器用于快速一步传感分析

Figure 1. (PART A) Schematic Illustration of the Preparation of the Field-Free 3D DNA Nanomachine; (PART B) Illustration of the Photoregulated trans and cis Isomerization of the Azo Groups Incorporated in the DNA Nippers; (PART C) Surface Modification of the 3D Nanomachine-Based Sensing System for Rapid Single-StepQuantitation of miRNA。

 

2. 结果与讨论

关于此纳米机器的相关结构表征,性能表征,应用结果等在文章里已经表述清楚,这里不便再展开赘述,放出几张比较重要的图吧。

新一代的DNA纳米机器用于快速一步传感分析

Figure 1. (a) PAGE characterization of the 3D DNA nanomachine. Lane 1, A1; lane 2, A2; lane 3, probe 1; lane 4, probe 2; lane 5, homogeneous DNA nanomachine. (b) Monitoring the fluorescence intensities on the self-assembly process of the 3D DNA nanostructure as a function of time.

新一代的DNA纳米机器用于快速一步传感分析

Figure 2. (a) TEM, (b) AFM, (c) DLS and (d) SEM characterization of the designed DNA nanomachines. 

新一代的DNA纳米机器用于快速一步传感分析

Figure 3. (a) ECL monitoring of 3D DNA machine movement as a function of time. (b) ECL determination of initial movement rate of the designed 3D DNA machine.

Figure 4. (a) ECL intensity-time curves of the sensing platform with different concentrations of miRNA (a) blank sample, (b) 10 fM, (c) 50 fM, (d) 0.1 pM, (e) 0.5 pM, (f) 1.0 pM, (g) 10 pM and (h) 0.1 nM. (b) Relationship between the ECL intensity and the logarithm of the miRNA concentration. 

 

这些表征也是比较常规的,所以觉得没有什么特别要写的。一一解释读者也觉得枯燥。这个工作历时近3年,期间做了许多尝试,也优化了许多实验条件,跑了祖国妈妈的几个城市借仪器做表征,希望能证明我们的3D纳米机器的成功构建。功夫不负有心人啊,谢谢这一切。

 

3. 结论与展望

相对于传统的以AuNPs为基质构建的3D DNA纳米机器,本研究报道的光控可逆型3D DNA纳米机器是基于DNA纳米自组装结构构建的分子机器,具有以下四个优势:第一,该DNA纳米结构是通过少量单链DNA在数分钟内经过简单的一步杂交反应自组装而得,既保留了DNA完好的生物活性,而且操作省时简单方便。第二,由于高有序性、高局部浓度的探针排布,分子机器的运转效率得到显著提高。第三,通过将偶氮苯嵌入纳米机器功能元件—DNA nipper中,在不破坏机器结果的同时,通过不同的光辐射,在单步快速反应中即实现了该3D DNA纳米机器的可逆运动。最后,本研究设计的3D DNA纳米机器被用于构建ECL生物传感平台,实现了癌症标志物microRNA的单步快速超灵敏检测。该3D DNA纳米机器为新一代DNA纳米机器的发展提供了更多启示。

 

4. 心得与体会

每个科研工作者都有自己的独特的方法与见解,我小小分享一下自己的体会,见笑啦。我觉得认真分析自己研究方向最新的高水准文章很重要,几篇文章看下来,一定要琢磨透,做的是什么?思考每一个部分为什么要这么做?换成其它方式为什么会达不到这一效果?我觉得通过这样子思考文献,会不断的夯实自己基础知识,便于自己构建体系。那么在思考自己工作体系的时候,我觉得可以跳出改进前人一个工作体系的思路,开始尝试总结这一系列的工作的共同不足之处,尽量从“大局”角度思考琢磨问题,去构思。在整个工作过程中,良师益友的作用真的太重要,我很喜欢去向老师们请教,老师思考问题的角度真的和我不一样,给予我许多启发,闭门难造好车。心态方面呢,我觉得只要过程够艰辛,结果总不会太差,尤其自己要多努力,所以也没有觉得多辛苦。哈哈,加油吧!

 

5.  致谢

这个工作从开始构思到文章发表,历时近3年,这其中得益导师袁若教授的悉心指导,还有柴雅琴教授和卓颖教授的大力帮助。一开始我自己的思路也没有这么宽,是老师们给予积极引导,与我分析文献,讨论思路,才慢慢有了更多的想法。特别是袁老师活跃的学术思想带给我构建新一代DNA纳米机器的灵感,尤其在我遇到实验瓶颈的时候,袁老师的点拨让我将困难一一攻克,在此表示特别感谢。也特别感谢卓颖教授在此期间与我多次探讨寻找合适的实验条件与方案,帮助我寻找正确的实验方向以及柴雅琴教授在我文章整理和修改方面的大力支持。同时感谢湖南大学张晓兵教授及山东大学邹桂征教授对DNA结构表征及ECL光谱测试给予的大力帮助!最后感谢课题组师弟师妹们在学习和生活中给予我的暖暖的关心和帮助。

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