熵驱动DNA分子机器的构建及microRNA传感应用

作     者：王萌 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李伟

授予年度：2024年

学科分类：0710[理学-生物学] 071010[理学-生物化学与分子生物学] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：熵驱动 DNA分子机器 miRNA检测 成像 

摘      要：DNA分子机器是在生物马达如肌球蛋白、驱动蛋白和动力蛋白等的启发下,利用DNA分子良好的可编程性和可预测性及易于合成和修饰的特点而构建的一种人工分子机器。迄今为止,已经构建了各种功能的DNA分子机器,如:DNA环路、DNA步行器、DNA镊子、DNA马达、DNA齿轮和DNA机器人等。DNA分子机器受到特定的刺激后,在酶切反应、链取代反应或光照反应的驱动下沿纳米尺度进行自主运动。然而,上述驱动方式需要酶、特殊设计的DNA序列或射线等的参与,操作复杂且对环境要求较高。熵增反应是系统自发的由有序向无序发展、混乱度增加的过程。在反应过程中系统的混乱程度增加,即系统中的熵增加而驱动反应的进行。熵增反应不需要使用昂贵的蛋白酶,也不需要设计复杂的DNA发夹等二级结构,在室温条件下即可达到反应平衡,具有良好的稳定性和较低的背景信号。基于此,本论文以DNA分子的熵增反应为基础,设计并构建了熵驱动的DNA分子机器,并将其应用于疾病标志物micro RNA的灵敏、特异检测。本论文分为四章: 第一章为绪论部分,主要从DNA分子到DNA分子机器进行了概述,重点介绍了DNA分子机器的主要驱动方式和熵驱动反应的特点及应用进展,并介绍了micro RNA检测意义以及本论文的主要研究内容。 第二章,成功构建了熵驱动的DNA环路。该环路由一条三链DNA复合底物链和单链DNA燃料链组成,其中三链DNA复合底物链用于识别目标物和输出信号,燃料链用于熵增的链置换反应,该机器以熵驱动反应作为驱动力,在目标物的触发下可以自发运行。与酶切反应驱动的DNA分子机器相比,熵驱动的DNA环路更加简单易行。以miR-21为分析模型实现了机器的传感应用,逐步法和一锅法对miR-21的检测限分别为0.36 p M和0.014 p M,且机器在复杂人血清样本中能抵抗基质的干扰作用,具有满意的回收率,在核酸生物标志物的疾病早期诊断方面具有较大的应用潜力。 第三章,成功构建了熵驱动的DNA步行器,并将其用于micro RNA的传感检测研究。基于均相溶液中熵驱动DNA环路的成功构建,该工作将三链DNA复合底物链和燃料链修饰到金纳米颗粒上,形成两个球形核酸探针SNP-S和SNP-F。SNP-S在目标物miR-21的触发下开启熵驱动反应,并以SNP-F为燃料在熵驱动作用下稳定运行。该策略将DNA链修饰到金纳米颗粒上,由于受到金纳米颗粒的荧光猝灭作用以及空间位阻的影响,对miR-21的检测限仅为0.017 n M。但借助金纳米颗粒的入胞作用,初步实现了机器对MCF-7细胞中高表达的miR-21的成像分析,在癌症标志物的活细胞成像和实时监测领域具有潜在的应用能力。 第四章为结论与展望部分,总结了本论文的主要研究成果,并展望了工作的应用前景。