核酸是遺傳信息的攜帶者和基因表達的物質基礎，核酸結構與功能的關系不僅是生物化學與分子生物學學科的研究重點，也是相關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研究、藥物篩選、分子診斷、環(huán)境監(jiān)測等領域取得了迅速的發(fā)展。傳統(tǒng)的凝膠電泳與聚合酶鏈式反應等技術存在復雜的操作與試劑的高毒性等缺點，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結構在鏈置換或酶催化反應驅動下沿特定軌道定向移動的DNA納米機器，一般由軌道組件、步行組件和驅動組件所構成。步行組件的不斷移動一般是通過設計有偏向的系統(tǒng)狀態(tài)實現(xiàn)的，從高能態(tài)到較低能態(tài)的自動轉變驅動納米機器的運行，該過程的實現(xiàn)伴隨著能量的消耗。目前，研究人員已設計構建了各種軌道精確、自動運行的DNA步行器，并應用于藥物輸送、生物分子檢測、細胞成像等諸多生物醫(yī)學領域的應用中。
近期，中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所研究員繆鵬課題組基于DNA步行器設計了多種針對核酸的超靈敏電化學分析方法。首先設計了基于切刻內切酶催化的電化學傳感器，通過在電極界面以不同比例修飾DNA軌道分子與步行分子，在目標分子存在下組裝成DNA三角星納米結構，起始酶切步行反應，通過檢測后標記的電信號分子的響應強度實現(xiàn)對目標核酸的檢測；接著設計了一個無標記的自行走阻抗傳感器，在組裝的DNA四面體不同頂點處安置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，從而實現(xiàn)對目標核酸分子的快速簡便地檢測；隨后，進一步設計了雙足DNA步行器，首先在合成的金磁復合納米顆粒表面進行一步鏈置換聚合反應，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，驅動雙足步行，通過檢測吸附的銀納米顆粒的溶出伏安響應，實現(xiàn)高靈敏度的核酸檢測。這些基于DNA步行器的電化學分析方法不僅可以實現(xiàn)低豐度核酸的特異性檢測，還具有反應條件溫和、成本低、可擴展性強等優(yōu)點，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用潛力。
相關工作得到國家自然科學基金面上項目（81771929）、政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項（2017YFE0132300）、中科院科研裝備研制項目（YJKYYQ20170067）等的資助。相應的研究成果已發(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）。
圖1 基于雙足DNA步行器的核酸電化學傳感器示意圖
圖2 （A）DNA四面體形成、（B）鏈置換反應及（C）雙足DNA步行的聚丙烯酰胺凝膠電泳驗證。（D）循環(huán)伏安與（E）交流阻抗譜驗證電極界面反應過程
圖3 （A）基于雙足步行器進行核酸檢測的線性掃描伏安圖。（B）對應的標準曲線
來源：中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所
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