無論是生化分析還是疾病診斷，快速準(zhǔn)確檢測(cè)到目標(biāo)生物分子已成為“剛需”。DNA作為傳統(tǒng)的遺傳物質(zhì)，正以新興納米材料的身份成為生物分析工具的“新寵”。

中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員楊良保課題組、安徽大學(xué)研究人員等構(gòu)建了可非線性云集“圍攻”生物靶標(biāo)分子的智能DNA分子納米機(jī)器人模型。相關(guān)成果近日發(fā)表于《納米視野》。

“圍攻”生物靶標(biāo)

“在試管液體環(huán)境下，智能DNA分子納米機(jī)器人會(huì)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)生物分子，然后迅速集結(jié)‘圍攻’，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生物分子的捕獲和信號(hào)放大，有助于研究人員對(duì)其快速追蹤。”安徽大學(xué)教師、論文第一作者李紹飛說，就像一只蜜蜂“盯”上了目標(biāo)物，然后“召喚”其他蜜蜂不斷進(jìn)行“圍攻”，形成容易被發(fā)現(xiàn)的聚集群。

李紹飛介紹，智能DNA分子納米機(jī)器人模型以短的單鏈DNA為骨架，長(zhǎng)度通常為100個(gè)左右的核苷酸，通過自身折疊形成納米尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)備，其形狀類似于一個(gè)發(fā)夾。

智能DNA分子納米機(jī)器人模型由多功能機(jī)械臂和備選附件(藥物、信號(hào)標(biāo)簽、靶標(biāo)鉗夾等)、靶標(biāo)驗(yàn)證器、智能云集路徑控制器和自組裝馬達(dá)等部件組成。

每個(gè)部件都有各自的“使命”。例如，多功能機(jī)械臂可以從混合物中抓取目標(biāo)分子，然后由靶標(biāo)驗(yàn)證器檢驗(yàn)抓取目標(biāo)的正確性。在抓取和識(shí)別到正確的目標(biāo)分子后，機(jī)器人開始在路徑控制器的引導(dǎo)下，按照非線性的路徑方式云集，并依賴自組裝馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成云集組裝，最終形成大的組裝體。

當(dāng)這些部件完成各自“使命”時(shí)，目標(biāo)分子充分“暴露”，只能乖乖“束手就擒”。

相比目前常用的PCR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))檢測(cè)技術(shù)，李紹飛認(rèn)為，智能DNA分子納米機(jī)器人集結(jié)“圍攻”靶標(biāo)的信號(hào)放大策略，具有無酶、常溫和操作簡(jiǎn)單等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有利于在即時(shí)檢驗(yàn)或臨床檢驗(yàn)中的應(yīng)用。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理抗“滲漏”

DNA是由4種核苷酸為基本單位連接而成的生物分子，特定的核苷酸之間可以相互配對(duì)結(jié)合。依賴這種自身作用力，合理設(shè)計(jì)和人工合成DNA分子，可以在體外自組裝成各種DNA納米機(jī)械設(shè)備。

DNA納米機(jī)械設(shè)備常用的一個(gè)原理是以雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)為代表的三分支鏈置換反應(yīng)。“這種傳統(tǒng)的雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)通常至少包含兩種簡(jiǎn)短的DNA組分元件，它們是專門針對(duì)目標(biāo)生物分子設(shè)計(jì)的。當(dāng)目標(biāo)生物分子存在時(shí)，兩種簡(jiǎn)短的DNA組分元件相互交替結(jié)合，以線性的單一方式不斷延長(zhǎng)，起到對(duì)目標(biāo)分子識(shí)別和線性信號(hào)放大的作用。”李紹飛說。

由于非線性信號(hào)放大相比線性信號(hào)放大，更有利于提高分析檢測(cè)的靈敏性，所以科學(xué)家試圖基于雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，提出一種發(fā)展非線性信號(hào)放大的策略。

然而，這一策略的進(jìn)展遇到瓶頸——“系統(tǒng)滲漏”。

“系統(tǒng)滲漏是指在無目標(biāo)生物分子參與下，短的DNA組分元件之間‘私自’相互結(jié)合為長(zhǎng)的DNA，形成假的信號(hào)放大，嚴(yán)重影響分析檢測(cè)的特異性和靈敏性。”李紹飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

簡(jiǎn)單來說，“系統(tǒng)滲漏”可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果成“假陽(yáng)性”。

在前期研究中，李紹飛等揭示了滲漏發(fā)生的機(jī)理，提出了抗?jié)B漏的措施。

此次研究中，他進(jìn)一步對(duì)滲漏和抗?jié)B漏機(jī)制提出新見解，創(chuàng)新性地采用了四分支鏈置換反應(yīng)原理，建立了可非線性云集“圍攻”生物靶標(biāo)分子的智能DNA分子納米機(jī)器人模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生物分子的非線性信號(hào)放大。

挖掘更多應(yīng)用潛能

團(tuán)隊(duì)成員分別將腫瘤細(xì)胞小分子和外泌體等作為靶標(biāo)，通過整合無標(biāo)記表面增強(qiáng)拉曼光譜信號(hào)讀出技術(shù)和熒光分子信號(hào)標(biāo)簽，成功對(duì)靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)了追蹤，初步驗(yàn)證了智能DNA分子納米機(jī)器人模型的應(yīng)用性能。

識(shí)別和捕獲目標(biāo)生物分子，以及靈敏地進(jìn)行信號(hào)放大和讀出，是發(fā)展生物分析工具的永恒追求。

盡管目前已經(jīng)創(chuàng)新了方法原理，并且建立了模型，但李紹飛坦言，“考慮到DNA分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和表征手段的局限性，以及生物樣品的多樣性，對(duì)模型的應(yīng)用性能探索空間還很大”。

下一步，團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)優(yōu)化智能DNA分子納米機(jī)器人模型云集組裝效率，并進(jìn)一步整合優(yōu)良的信號(hào)讀出技術(shù)，挖掘其在DNA納米技術(shù)、生化分析和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用潛能。

“特別是針對(duì)當(dāng)前流行傳染性疾病，團(tuán)隊(duì)正著手探索利用智能DNA分子納米機(jī)器人模型進(jìn)行超靈敏診斷的可行性。”李紹飛說。(記者 王敏)

關(guān)鍵詞： 納米機(jī)器人 生化分析 疾病診斷 生物靶標(biāo)