無論是生化分析還是疾病診斷，快速準(zhǔn)確檢測到目標(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分子納米機器人會自動識別目標(biāo)生物分子，然后迅速集結(jié)‘圍攻’，實現(xiàn)對目標(biāo)生物分子的捕獲和信號放大，有助于研究人員對其快速追蹤。”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分子納米機器人模型以短的單鏈DNA為骨架，長度通常為100個左右的核苷酸，通過自身折疊形成納米尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)備，其形狀類似于一個發(fā)夾。

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

每個部件都有各自的“使命”。例如，多功能機械臂可以從混合物中抓取目標(biāo)分子，然后由靶標(biāo)驗證器檢驗抓取目標(biāo)的正確性。在抓取和識別到正確的目標(biāo)分子后，機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，并依賴自組裝馬達驅(qū)動機器人完成云集組裝，最終形成大的組裝體。

當(dāng)這些部件完成各自“使命”時，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))檢測技術(shù)，李紹飛認(rèn)為，智能DNA分子納米機器人集結(jié)“圍攻”靶標(biāo)的信號放大策略，具有無酶、常溫和操作簡單等獨特優(yōu)勢，有利于在即時檢驗或臨床檢驗中的應(yīng)用。

創(chuàng)新設(shè)計原理抗“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結(jié)合。依賴這種自身作用力，合理設(shè)計和人工合成DNA分子，可以在體外自組裝成各種DNA納米機械設(shè)備。

DNA納米機械設(shè)備常用的一個原理是以雜交鏈?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短的DNA組分元件，它們是專門針對目標(biāo)生物分子設(shè)計的。當(dāng)目標(biāo)生物分子存在時，兩種簡短的DNA組分元件相互交替結(jié)合，以線性的單一方式不斷延長，起到對目標(biāo)分子識別和線性信號放大的作用。”李紹飛說。

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

然而，這一策略的進展遇到瓶頸——“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)合為長的DNA，形成假的信號放大，嚴(yán)重影響分析檢測的特異性和靈敏性。”李紹飛告訴《中國科學(xué)報》。

簡單來說，“系統(tǒng)滲漏”可能會導(dǎo)致檢測結(jié)果成“假陽性”。

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

此次研究中，他進一步對滲漏和抗?jié)B漏機制提出新見解，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分子納米機器人模型，實現(xiàn)對目標(biāo)生物分子的非線性信號放大。

挖掘更多應(yīng)用潛能

團隊成員分別將腫瘤細(xì)胞小分子和外泌體等作為靶標(biāo)，通過整合無標(biāo)記表面增強拉曼光譜信號讀出技術(shù)和熒光分子信號標(biāo)簽，成功對靶標(biāo)實現(xiàn)了追蹤，初步驗證了智能DNA分子納米機器人模型的應(yīng)用性能。

識別和捕獲目標(biāo)生物分子，以及靈敏地進行信號放大和讀出，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分子運動的復(fù)雜性和表征手段的局限性，以及生物樣品的多樣性，對模型的應(yīng)用性能探索空間還很大”。

下一步，團隊將重點優(yōu)化智能DNA分子納米機器人模型云集組裝效率，并進一步整合優(yōu)良的信號讀出技術(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。

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

關(guān)鍵詞： 納米機器人 生化分析 疾病診斷 生物靶標(biāo)