分子信标技术

分子信标是一种高灵敏度、高特异性的新型荧光核酸探针。它在与互补DNA／RNA靶序列杂交时放出荧光。本文结合本实验室的研究,从分子信标的结构、性质、应用及发展等进行了介绍。     

一种新型荧光探针--分子信标的研究及应用进展

分子信标是一种基于荧光能量转移原理而设计的发夹型寡聚核酸荧光探针。它通过与核酸等靶分子相互作用后发生构象的变化而产生荧光信号,对靶分子的检测具有灵敏度高、选择性强、适合于活体实时检测等优点。目前已广泛应用于生物化学分析、生物医学研究和环境监测等各领域。本文对分子信标的设计原理及其研究和应用进展进行了综述。     

分子信标用于核酸连续复制过程的体外实时监测

利用分子信标核酸探针实时监测了核酸连续复制过程. 分子信标不仅作为模板参与复制反应, 而且同步将复制过程的信息转换为荧光信号, 实现复制过程的体外实时监测. 该方法不仅为DNA复制检测提供了一种实时研究手段, 而且为核酸复制动力学及与复制相关疾病的深入研究提供了一种新的思路.     

基于锁核酸的高选择性新型分子信标

通过在分子信标的错配位点修饰锁核酸, 不仅可有效地改善其单碱基错配识别能力, 还可提高检测灵敏度. 因而有望发展成为一种通用的提高分子信标单碱基错配识别能力的方法.     

基于阳离子荧光共轭聚合物和核酸适体探针的蛋白质检测新方法

以核酸适体为识别分子, 阳离子荧光共轭聚合物为报告分子, 建立了一种蛋白质检测新方法. 修饰有荧光熄灭基团的核酸适体探针通过静电作用与阳离子荧光共轭聚合物结合, 导致后者荧光熄灭. 当加入靶蛋白后, 核酸适体探针与其特异性结合, 荧光熄灭基团与阳离子荧光共轭聚合物远离, 聚合物荧光信号得以恢复. 实验结果表明, 荧光恢复程度与靶蛋白的浓度正相关. 采用该方法检测凝血酶的线性范围为17～40 nmol/L.     

基于双重猝灭原理的分子信标定量检测凝血酶

利用G碱基和有机猝灭基团对荧光基团的双重猝灭作用构建了分子信标,建立了一种基于双重猝灭原理的检测凝血酶的简单方法.此分子信标中荧光基团设计为羧基荧光素(FAM),有机猝灭基团设计为Black Hole Quencher 1(BHQ-1),BHQ-1连接3个含有G碱基的核苷酸,分子信标的环设计为凝血酶的核酸适配体.体系中没有凝血酶时,分子信标呈茎环结构,荧光基团FAM与有机猝灭基团BHQ-1及G碱基相互靠近,FAM的荧光在BHQ-1及G碱基的双重猝灭下,其荧光信号很弱;当体系中有凝血酶存在时,分子信标与凝血酶特异性结合,形成G-四联体结构,茎-环结构被破坏,FAM远离猝灭基团BHQ-1及G碱基,其荧光得到恢复.在最适条件下,体系的荧光强度(△I)与凝血酶的浓度(C)在0.4~40 nmol/L范围内具有良好的线性关系,线性回归方程为△I=24.63C(nmol/L)+13.06(R2=0.9972),检出限为0.18 nmol/L(3σ,n=9).实际血样加标回收率为96.3%~98.7%.     

基于核酸外切酶Ⅲ诱导的双重信号放大与MoS2纳米片荧光碎灭性质的核酸检测方法

将核酸外切酶Ⅲ诱导的双重信号放大技术与MoS2纳米片的荧光猝灭性质结合,构建了一种高灵敏高选择性的DNA检测方法.首先设计两条末端修饰荧光基团的探针核酸(HP1和HP2).由于两条探针核酸具有3'粘性末端,使其不会被核酸外切酶Ⅲ降解,因而被吸附于MoS2纳米片而猝灭其荧光.当目标DNA存在时,会促使核酸外切酶Ⅲ启动双重信号放大反应,并将探针核酸降解成大量的不能吸附于MoS2纳米片表面的荧光碎片.在优化条件下,目标DNA浓度在0.5~6.0 pmol/L范围内与荧光信号变化呈良好的线性关系,检出限为0.28 pmol/L.与单重信号放大技术相比,本方法极大改善了分析灵敏度和检出限,且具有良好的单碱基错配区分能力.     

利用无标记的分子信标及核酸染料Hoechst 33258检测特定序列核酸

利用无标记的分子信标及核酸染料Hoechst 33258建立了一种高灵敏、高选择性的特定序列核酸检测方法,并以野生型乙型肝炎病毒的一段寡核苷酸序列为目标DNA,对这种方法进行了验证。在此体系中,分子信标的茎完全设计成C/G碱基对。在没有目标DNA时,Hoechst 33258与分子信标作用较弱,其荧光信号很弱;当有目标DNA存在时,分子信标与目标DNA杂交形成双链,Hoechst 33258与双链DNA作用后荧光信号显著增强。在优化条件下,目标DNA浓度在2×10-10~2×10-8mol/L范围内时,Hoechst 33258的荧光强度(ΔI)与目标DNA的浓度(C)之间具有良好的线性关系,回归方程为ΔI=3.3439C+18.6949(R2=0.9982),方法检出限(3σ)为9×10-11mol/L。此方法操作简单、检测速度快、灵敏度高、重现性好、检出限低。     

分子信标荧光探针用于抑癌基因ING1表达产物的定量测定

根据抑癌基因ING1基因的序列设计并合成了检测ING1转录产物的分子信标核酸探针,发展了一种快速测量从正常细胞系和鼻咽癌肿瘤细胞系提取的ING1转录产物的方法,所得结果与用逆转录结合PCR法(RT-PCR)得到的结果相吻合.并且,将能表达ING1基因的质粒转入肿瘤细胞进行培养后,再将分子信标转入肿瘤细胞,发现转导了质粒的肿瘤细胞比未转导质粒的肿瘤细胞内的荧光明显增强,从而进一步证实了所设计的分子信标核酸探针与ING1转录产物的结合.     

基于大环分子的主客体超分子荧光探针

针对环境污染源的早期检测和疾病的预防与治疗已经研究开发出许多检测技术手段,其中,荧光探针作为一种方便、灵敏、可视化的检测技术得到了广泛关注与认可。大环分子荧光探针作为一类重要的荧光探针逐渐引起了研究者的关注。大环分子具有特定尺寸、可特异性配合某些基团的空腔。因此,在设计这类荧光探针时可以充分利用大环分子的空腔优势。此外,大环分子容易通过化学修饰制备多种功能化衍生物,这也为设计大环荧光探针提供了更多选择。本文回顾了大环分子荧光探针的设计策略,主要从探针的化学组成以及相互作用机理来阐述,为大环分子荧光探针的设计提供了系统的理论指导。     

基于核酸分子识别的电化学分析方法与应用

核酸作为生物体遗传信息的载体以及分子生物学和生物分析化学中重要的功能分子,近年来在电化学分析中受到了越来越多的重视。本文以作者所在研究组的工作为实例,对核酸分子识别的电化学分析方法作出简要的评述,内容涉及核酸序列和基因变异的电化学分析以及核酸作为功能分子进行识别检测的电化学分析等等。     

核酸的有机化学研究在分子生物学发展中的作用

本文主要综述有机化学在建立核酸的顺序测定法和自动顺序仪,在破译遗传密码,在建立核酸片段的化学合成方法,固相合成法及DNA合成仪的设计,在合成许多有生物活力的核酸分子,在发展并完善遗传工程以及新近发现酶RNA(Ribozyme)等方面的卓越贡献。最后简要地展望有机化学将对生物学发展作出进一步贡献的几个方面。     

Molecular Recognition of Nucleic Acid Bases in Water by Hydrogen Bonding of Poly(vinyldiaminotriazine)

Poly(2-vinyl-4,6-diamino-1,3,5-triazine) efficiently binds nucleic acid bases and nucleosides in water by using complementary hydrogen bonding. The binding activity decreases in the order: U, T > A C, G. The corresponding monomer shows virtually no activity, indicating a predominant role of polymer effect for the molecular recognition in water.     

Molecular Forcefield Methods for Describing Energetic Molecular Crystals: A Review

Energetic molecular crystals are widely applied for military and civilian purposes, and molecular forcefields (FF) are indispensable for treating the microscopic issues therein. This article reviews the three types of molecular FFs that are applied widely for describing energetic crystals—classic FFs, consistent FFs, and reactive FFs (ReaxFF). The basic principle of each type of FF is briefed and compared, with the application introduced, predicting polymorph, morphology, thermodynamics, vibration spectra, thermal property, mechanics, and reactivity. Finally, the advantages and disadvantages of these FFs are summarized, and some directions of future development are suggested.     

分子基逻辑材料*

在适当的条件下分子开关将输入的信息转换为输出信号,利用这一特点,可在分子体系根据二进位布尔逻辑规则实现信号转换。目前,用化学体系进行基本的布尔逻辑功能执行 (PASS、YES、NOT、AND、NAND、OR、NOR、XNOR和INH)都已成为可能。在此基础上,逻辑门的整合与编程,以及更进一步的复杂分子运算开始受到人们的关注。迄今为止,以高灵敏性的荧光输出信号为主,人们在分子水平上设计实现了多种复杂的逻辑电路,包括组合逻辑电路和时序逻辑电路等,并开始涉及信息处理的安全平台设计。本文主要介绍了近年来利用分子荧光开关体系模拟数字逻辑电路过程中所取得的最新进展,对分子逻辑电路研究的热点和问题进行了展望。     

分子逻辑器件研究进展

分子器件具有尺寸小、设计合成可控、存储量大、反应速度快、人工智能等诸多优点,是当今化学、物理和材料等领域研究最为重要的一个交叉领域.综述了近些年来分子逻辑器件领域的研究进展.介绍了各种类型的分子逻辑门、半(加)减法器、分子逻辑线路以及DNA分子和固态分子计算.最后提出了分子器件存在的问题并展望了其应用前景.     

自组装分子电子器件

自组装技术是解决有机功能分子与电极连接问题最有希望的技术之一,近-来在构筑分子电子器件中得到了越来越多的应用,成为分子电子学发展的一个重要方向.本文介绍了自组装技术在制备分子器件中的应用.并讨论了自组装分子器件的前景和面临的一些问题.     

分子计算机的研究进展*

研制分子计算机也许是突破传统半导体电子计算机发展极限的唯一出路。本文简述了最近十年分子计算机的研究进展, 重点讨论了DNA 计算机和生物分子计算机的研究成果, 并对可能为人类提供思考和尝试范本的生物活细胞中蛋白质的各种计算机制的研究给予了充分的关注。引用了43篇文献。     

Molecular Logic Gate Arrays

Chemists are now able to emulate the ideas and instruments of mathematics and computer science with molecules. The integration of molecular logic gates into small arrays has been a growth area during the last few years. The design principles underlying a collection of these cases are examined. Some of these computing molecules are applicable in medical‐ and biotechnologies. Cases of blood diagnostics, ‘lab‐on‐a‐molecule’ systems, and molecular computational identification of small objects are included.