框架核酸在蛋白精确组装中的应用

除了作为遗传信息的载体,DNA所展现出的特殊材料性能引起了广泛关注。基于碱基互补配对原则的精确性和可编程性使得核酸纳米结构的构建逐步从一维单链发展到二维平面以及三维立体结构。计算机辅助工具的进步也促进了各种大小和形状的DNA纳米结构的自动化设计,而近年来构建的"框架核酸(FNAs)"为生物大分子纳米尺度上的精确排列提供了新方法,其固有的生物学功能以及可定制的特性使得其在物理、化学和生物等领域具有十分广阔的应用前景。本文阐述了精确自组装的FNAs的概念,并概述了FNAs在蛋白精确组装等领域的最新进展;重点论述了FNAs的优势所带来的对蛋白空间排布及其性能的调控能力,讨论了该领域存在的挑战,并对其发展机遇进行了展望。     

框架核酸高通量检测芯片

构建了一种基于框架核酸的高通量生物检测芯片.利用超微量移液自动化平台,将包含框架核酸探针的液滴按照预设命令固定至生物芯片微阵列上,在探针捕获核酸靶标后利用集成的基因芯片扫描仪对芯片进行成像,通过分析荧光强度定量化分析靶标浓度.结果表明,此框架核酸芯片能够实现框架核酸探针的高通量制备, 24 h即可制备具有15万个点的微阵列,且点间距离的相对偏差W≤10%、荧光强度的变异系数CV=3.30%,具有较高的稳定性,远高于国家标准.此外,该芯片具备高灵敏度、可寻址的高通量生物分析能力,对核酸靶标的检测限可达100 pmol/L.随着多种探针技术的发展,生物检测微阵列技术在高通量生物分析领域展示出巨大的潜力.     

基于核酸框架的分子机器

分子机器是一种由分子构建的微型设备,在受到适当的刺激如光、温度、pH或电磁场时,它能够在分子水平上执行类似宏观机器的机械运动.然而,分子机器的研究仍面临着许多技术挑战,包括如何精确控制分子机器的运动,如何构建大规模的分子机器系统等.作为有潜力的分子自组装技术,利用DNA纳米技术可以构建复杂的刺激响应纳米机器并精确调控其在分子水平的运动.本文中,我们简单介绍了DNA纳米技术的组装原理,综述了响应DNA链置换、光、热、pH和电场等不同类型刺激的核酸框架分子机器,并探讨了它们在药物递送、构建三维等离子体光学器件以及作为生物分子标尺等方面的应用.     

金属有机框架-核酸复合材料的构建及其在荧光生物医学传感中的应用

金属有机框架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一类由无机金属节点和有机配体自组装而成的新型多孔材料,因其具有可定制的结构和功能、大的比表面积及多功能化位点等诸多优点,在生物医学、生物传感等领域应用广泛.此外,核酸分子以其特有的分子识别和灵活的可编辑性,近年来在靶标识别、分子检测领域取得了令人瞩目的成就. MOFs与核酸的有机整合能够有效扩展两种单体的功能及应用范围,目前已成为化学及生物医学等领域的研究热点.本文综述了近年来MOFs-核酸复合材料荧光生物传感器的构建及其在生物医学领域中的应用进展.首先介绍了MOFs-核酸复合材料传感器的构建方法;其次,根据MOFs所发挥功能的不同,分别从基于荧光淬灭、发光以及刺激响应三大方面对MOFs-核酸复合材料在荧光生物医学传感中的应用进行了分类概述;最后分析了该研究领域目前面临的挑战,并对其未来发展进行了展望.     

核酸适体靶向的膜蛋白识别与功能调控研究进展

膜蛋白在细胞生命活动中发挥着重要作用, 研究并调控细胞膜蛋白的结构和功能有助于阐明生命活动的基本规律, 为新型药物研发和高效疾病诊治提供研究基础. 核酸适体是一类特殊的寡核苷酸序列, 因具有特异性识别靶标的能力而被广泛用于生物传感领域. 将核酸适体与DNA纳米技术相结合, 利用DNA分子可程序化设计、 可功能化修饰等优势, 发展核酸适体靶向的膜蛋白识别与功能调控方法可为研究膜蛋白相互作用提供有力工具. 本文介绍了基于核酸适体靶向识别的DNA纳米技术在膜蛋白识别及细胞功能调控中的研究进展, 并对核酸适体靶向的膜蛋白识别及功能调控领域面临的挑战进行了分析, 对其应用前景进行了展望.     

新型仿生聚合物胶束用于纳米药物载体的研究

对两亲性聚合物进行设计和优化, 从细胞膜仿生的设计出发, 利用原子转移自由基聚合, 制备了一种以胆固醇为疏水段、以仿细胞膜磷酸胆碱基聚合物为亲水段的两亲性分子CMPC. 在对其溶液胶束自组装行为进行探索的基础上, 以水包油(O/W)溶剂挥发法制备了包含抗癌药物阿霉素(ADR)的纳米抗癌药物载体, 通过体外细胞培养, 研究了仿细胞膜两亲分子的细胞相容性, 并对抗癌纳米药物载体抗肿瘤细胞的药效进行了初步研究.     

基于框架核酸的细胞表面受体配体相互作用研究进展

细胞表面受体与配体之间的特异性相互作用在细胞生物学过程中起着重要作用。然而,与均相溶液不同,受体分子在细胞膜上的分布是非连续的、动态的,因此细胞表面的受体配体相互作用通常呈现复杂的非线性结合模式。框架核酸作为一类具有确定几何形状的DNA纳米支架,可用于多价配体的偶联,为深入揭示受体配体相互作用机制提供了可靠的工具。利用框架核酸纳米分辨率的可寻址特性,可实现对配体数目、间距及空间构象等参数的精确调控,进而研究细胞表面受体配体的结合特性及影响因素,优化结合条件最终实现高效的分子识别及靶向治疗。本文综述了基于框架核酸的细胞表面受体配体相互作用研究进展,通过探讨细胞表面受体配体相互作用的重要影响因素及生物学应用,对该研究领域的发展前景和未来趋势予以展望。     

基于仿生聚多巴胺膜和纳米金的酶固定化平台的构建

首次以仿生聚多巴胺膜为功能基底膜并结合使用纳米金, 构建了一种高导电性、稳健的酶生物分子固定化平台. 以固定辣根过氧化物酶(HRP)为例, 发展了一种新的电化学酶传感器用于H2O2的测定. 结果表明, 酶传感器借助聚多巴胺膜对基底电极的高结合力及其高生物亲和性与电活性, 并协同纳米金的“电子通道”作用, 不仅可以实现酶分子在电极表面的大量而高活性的固定化, 而且能促进电子在酶活性中心和电极表面间的快速传递. 与采用其它常见聚合物材料(例如壳聚糖)的酶传感器比较, 以聚多巴胺/纳米金固定化平台发展的酶传感器具有更优良的检测H2O2的性能. 其对H2O2的检测线性范围为4.0×10－7～4.5×10－4 mol•L－1, 检测限为3.7×10－7 mol•L－1, 灵敏度为100.2 μA•L•mmol－1. 此外, 该酶传感器还具有优良的检测重现性和存贮稳定性, 以及较好的抗干扰能力.     

化学发光核酸传感器的研制

用Ｎ－乙酰半胱氨酸金表面自组装技术,以及用１－乙基３－（３－二氨基）碳二亚胺盐酸盐（ＥＤＣ）、Ｎ－羟基硫代琥珀酰亚胺（ＮＨＳ）偶联剂把亲合素固定于金表面,再将生物素标记探针固定在亲合素上,来制备核酸传感器探头。然后将探头与目标ＤＮＡ和第二生物素标记探 针进行夹心式杂交,再利用生物素－亲合素的作用联入亲合素标记的碱性磷酸酯酶,用酶催化底物ＡＭＰＰＤ发光来达到测定ＤＮＡ的目的。测定也乙型肝炎病毒（ＨＢ     

核酸分子计算及应用

作为一种新兴计算技术,核酸分子计算因其信息存储量大、并行性高、微型化、低能耗的优点而备受关注.核酸分子计算系统主要包括信号输入、信号处理、信号输出三个模块,其目前已经能够实现数学逻辑运算、信息处理加密、模拟神经网络的功能,或与纳米材料结合构成分子机器,有望广泛应用于数学、医学、计算机科学等各种领域.本文概述了核酸分子计算的原理、功能及其生物医学应用,重点介绍了其在构建分子机器方面的研究进展,并讨论了当下面临的挑战.     

Framework Nucleic Acids for Cell Imaging and Therapy

Over the past decade,structural DNA nanotechnology has been well developed to be a promising and powerful technique to generate various nanostructures with programmability,spatial organization and biocompatibi-lity.With the advent of computer-aided tools,framework nucleic acids have been employed in a series of biomedical applications,ranging from biosensing,bioimaging,diagnosis,to therapeutics.In this review,we summarized recent advances in the construction of precisely assembled DNA nanostructures,and DNA-engineered biomimetics.We also outlined the challenges and opportunities for the translational applications of framework nucleic acids.     

A Biomimetic Approach for Spatially Controlled Cell Membrane Engineering Using Fusogenic Spherical Nucleic Acid

Engineering of the cell plasma membrane using functional DNA is important for studying and controlling cellular behaviors. However, most efforts to apply artificial DNA interactions on cells are limited to external membrane surface due to the lack of suitable synthetic tools to engineer the intracellular side, which impedes many applications in cell biology. Inspired by the natural extracellular vesicle-cell fusion process, we have developed a fusogenic spherical nucleic acid construct to realize robust DNA functionalization on both external and internal cell surfaces via liposome fusion-based transport (LiFT) strategy, which enables applications including the construction of heterotypic cell assembly for programmed signaling pathway and detection of intracellular metabolites. This approach can engineer cell membranes in a highly efficient and spatially controlled manner, allowing one to build anisotropic membrane structures with two orthogonal DNA functionalities.     

Valency‐Controlled Framework Nucleic Acid Signal Amplifiers

Weak ligand–receptor recognition events are often amplified by recruiting multiple regulatory biomolecules to the action site in biological systems. However, signal amplification in in vitro biomimetic systems generally lack the spatiotemporal regulation in vivo. Herein we report a framework nucleic acid (FNA)‐programmed strategy to develop valence‐controlled signal amplifiers with high modularity for ultrasensitive biosensing. We demonstrated that the FNA‐programmed signal amplifiers could recruit nucleic acids, proteins, and inorganic nanoparticles in a stoichiometric manner. The valence‐controlled signal amplifier enhanced the quantification ability of electrochemical biosensors, and enabled ultrasensitive detection of tumor‐relevant circulating free DNA (cfDNA) with sensitivity enhancement of 3–5 orders of magnitude and improved dynamic range.     

Modification of Nucleic Acids by Azobenzene Derivatives and Their Applications in Biotechnology and Nanotechnology

Azobenzene has been widely used as a photoregulator due to its reversible photoisomerization, large structural change between E and Z isomers, high photoisomerization yield, and high chemical stability. On the other hand, some azobenzene derivatives can be used as universal quenchers for many fluorophores. Nucleic acid is a good candidate to be modified because it is not only the template of gene expression but also widely used for building well‐organized nanostructures and nanodevices. Because the size and polarity distribution of the azobenzene molecule is similar to a nucleobase pair, the introduction of azobenzene into nucleic acids has been shown to be an ingenious molecular design for constructing light‐switching biosystems or light‐driven nanomachines. Here we review recent advances in azobenzene‐modified nucleic acids and their applications for artificial regulation of gene expression and enzymatic reactions, construction of photoresponsive nanostructures and nanodevices, molecular beacons, as well as obtaining structural information using the introduced azobenzene as an internal probe. In particular, nucleic acids bearing multiple azobenzenes can be used as a novel artificial nanomaterial with merits of high sequence specificity, regular duplex structure, and high photoregulation efficiency. The combination of functional groups with biomolecules may further advance the development of chemical biotechnology and biomolecular engineering.     

双层类脂膜核酸传感器的研究进展

对近几年发展起来的双层类脂膜（BLM）核酸传感器的研究工作进行了讨论，详细论述了该传感器的特性、工作原理以及在核酸杂交、序列分析研究中的应用，并与其它核酸传感器的研究作了对比；展望了其发展方向，引文31篇。