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熵驱动DNA分子机器的构建及microRNA传感应用

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熵驱动DNA分子机器的构建及microRNA传感应用

作者：王萌河北大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：熵驱动 DNA分子机器 miRNA检测成像

新型邻位诱导熵驱动策略用于幽门螺杆菌DNA的高灵敏检测

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重庆医科大学学报 2020年第2期45卷 206-211页

作者：李丹丹莫菲丁世家陈维贤重庆医科大学附属第二医院检验科重庆400010 重庆医科大学临床检验诊断学教育部重点实验室重庆400016

目的:构建新型邻位触及诱导熵驱动信号放大策略用于DNA的高灵敏检测。方法:靶DNA诱导邻位连接,与两亲和探针共同形成夹心复合物,从而形成邻位引物。所获得的邻位引物通过介导分支迁移点亮熵驱动放大环路以实现DNA的检测。结果:在最优实... 详细信息

目的:构建新型邻位触及诱导熵驱动信号放大策略用于DNA的高灵敏检测。方法:靶DNA诱导邻位连接,与两亲和探针共同形成夹心复合物,从而形成邻位引物。所获得的邻位引物通过介导分支迁移点亮熵驱动放大环路以实现DNA的检测。结果:在最优实验条件下,本工作所制备的DNA传感策略显示出非常高的灵敏度和选择性,动态范围从0.01~100 nmol/L,检测限低至6.7 pmol/L。结论:这种快速、高性价比和高效率的信号放大策略为DNA检测提供了一个简单且灵敏的平台。

关键词：邻位触及熵驱动 DNA 高灵敏

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二元胶体的熵驱动相变

兰州理工大学学报 2004年第2期30卷 133-135页

作者：李延龙陈玉红冯旺军兰州理工大学理学院甘肃兰州730050

利用二元胶体的硬球模型,讨论了胶体的熵驱动相变机制,排斥体积发挥了重要作用,增加小球的自由体积,导致系统的平移熵增加,同时系统的混合熵减少,随着溶液浓度增加,必须保证小球有足够的平移熵,导致系统相分离的发生,溶液呈现宏观有序.

关键词：二元胶体熵驱动相变晶化平移熵软物质

基于金属有机框架封装的光敏DNA四面体熵驱动放大器的构建及生物成像

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基于金属有机框架封装的光敏DNA四面体熵驱动放大器的构建及生物...

作者：高佳灵武汉科技大学

学位级别：硕士

目的研究证明,mi RNA与许多病理结果(如癌症)的发生发展具有密切关系。因此,精确监测mi RNA的水平变化将会为临床疾病诊断和治疗提供有参考价值的信息。与比色法和电化学方法相比,荧光法由于能够直接对活细胞内的mi RNA进行成像而受到... 详细信息

目的研究证明,mi RNA与许多病理结果(如癌症)的发生发展具有密切关系。因此,精确监测mi RNA的水平变化将会为临床疾病诊断和治疗提供有参考价值的信息。与比色法和电化学方法相比,荧光法由于能够直接对活细胞内的mi RNA进行成像而受到广泛的关注。进一步开发高性能荧光生物传感器来成像活癌细胞内mi RNA将有助于肿瘤医学的发展。由于不需要酶和发夹式DNA探针,基于熵驱动反应的信号放大策略表现出了巨大的发展潜力。然而,这种良好的选择目前仍然面临生物稳定差,细胞摄取率低和准确率不高等挑战。在上述基础上,本研究旨在针对这些问题提出一系列解决办法。首先将熵驱动策略与DNA四面体结合提高整个系统的耐酶性,然后采用外部光源和金属有机框架分别实现靶目标的精确识别和内吞效率的提高,从而构建一个金属有机框架封装的光敏DNA四面体熵驱动放大器,并将这种新型荧光生物传感器应用于活癌细胞内mi RNA成像。方法本研究将熵驱动核酸探针与DNA四面体结构相结合,形成DNA四面体熵驱动放大器,然后将上述传感系统封装在金属有机框架ZIF-8中。由于消除了细胞膜上的静电斥力,ZIF-8的使用会导致细胞内吞效率显著提高,而这种酸敏感载体会在溶酶体内酸性环境中发生降解而释放出内部传感元件。为了实现靶目标的精准识别,本研究还引入了光响应技术。在该荧光生物传感器构建成功之后,使用电子透射显微镜镜(TEM),X射线衍射(XRD),能量色散图谱(EDS),X射线光电子能谱分析(XPS),Zeta电位和热稳定性分析等方法来观测该纳米复合材料的形态大小,元素组成和功能特性。然后通过聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)分析和荧光分析来进行可行性研究。另外,还对该荧光生物传感器的紫外光照时间和运行p H进行条件优化,以实现最佳传感性能。在上述条件优化的基础上,还研究了该荧光生物传感器的胞外检测性能:线性范围,检出限和特异性。在将该生物传感器应用于细胞之前,通过甲基噻唑四唑(MTT)测试,来确定365 nm紫外光照射和PDA@ZIF-8的潜在细胞毒性。最后,利用该荧光生物传感器来对活癌细胞内mi RNA-196a进行成像。结果透射电子显微镜、X射线衍射(XRD)、能量色散图谱(EDS)和X射线光电子能谱分析(XPS)分别用来表征本研究中所用的纳米复合材料的形态和结构组成特性;Zeta电位和热稳定性分析验证了该纳米复合材料的功能特性并未发生改变。PAGE分析和荧光实验同时表明,只有当紫外线照射时,该荧光生物传感器才表现出活性。并且紫外光照和mi RNA表现出了共存效应。通过实验证明,该荧光生物传感器运行的最佳紫外光照时间为15分钟,最适p H为5.5。在上述条件优化的基础上,当mi RNA浓度在5 p M-20 n M之间时,mi RNA浓度的对数与信号恢复率之间具有线性关系(R=0.9902)。另外,该荧光生物传感器表现出能够区分单碱变异的优异特异性。在MTT法测试细胞毒性实验中,即使紫外光照时间为20分钟,PDA@ZIF-8的浓度为40μg/m L以及纳米复合材料和细胞孵育时间为6小时,细胞活性仍然保持在90%左右。因此,紫外光照和该纳米复合材料对细胞的生长均没有明显不良影响。在细胞内成像应用中,该荧光生物传感器具有良好的靶目标传感能力并且能够精确监测出各种生理状态下活细胞内靶目标水平。结论本研究构建了一个金属有机框架封装的光敏DNA四面体熵驱动放大器并将其初步应用于活细胞内生物成像。首先,直接将熵驱动DNA探针固定在DNA四面体的端点上使整个系统的耐酶性显著增强,然后再将上述荧光生物传感系统封装在ZIF-8中。实验证明,由于消除了静电斥力,细胞内吞效率显著提高。另外,光响应传感策略的应用实现了在外部光源帮助下手动开启传感过程。通过选择mi RNA-196a为模型目标,进一步发现该荧光生物传感器具有良好的线性关系、优异的灵敏度(LOD分别为2.9和2.7 p M)和区分单碱基变异的特异性。对于活癌细胞内应用,该荧光生物传感器能够精确监测不同生理状态下活细胞内靶目标水平。因此,本研究提供了一种新的活细胞内生物成像工具。

关键词：熵驱动 DNA四面体金属有机框架光响应荧光成像

基于熵驱动分子开关和信号放大技术均相检测单核苷酸多态性的研究

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基于熵驱动分子开关和信号放大技术均相检测单核苷酸多态性的研究

作者：赵春晖青岛科技大学

学位级别：硕士

2003年,人类基因组计划完成,鉴于单核苷酸多态性影响人类对疾病的响应,越来越多的研究人员将更多的注意力放到检测识别单核苷酸多态性的研究上。个性化诊断就变得越来越受到人们的重视,因此快速检测与疾病和易患病体制相关的单核苷酸多... 详细信息

2003年,人类基因组计划完成,鉴于单核苷酸多态性影响人类对疾病的响应,越来越多的研究人员将更多的注意力放到检测识别单核苷酸多态性的研究上。个性化诊断就变得越来越受到人们的重视,因此快速检测与疾病和易患病体制相关的单核苷酸多态性就变得越来越重要。均相检测使得单核苷酸多态性实时检测成为可能,并能够减少污染并省略复杂的清洗步骤。本论文提出一种可以在均相溶液中快速灵敏的检测SNP的方法,它基于熵驱动分子开关和恒温聚合酶链取代反应而构建,并且不需要额外加入引物。此方法具有很高的灵敏度,荧光强度变化值与突变DNA浓度的对数在4.0×10–10至2.0×10 M范围内呈现良好的线性关系,检测限可以达到1.85×10 M,可以直接用于检测基因组DNA。同时,由于T4 DNA连接酶的高保真性,本方法具有很高的选择性,在10 nM的基因组DNA中含有的0.3 nM的突变DNA也可以被特异性的检测到,可以检测野生型DNA里的痕量突变目标。该方法通过目标与分子开关杂交来控制分子开关的构象改变,使分子开关的3’末端引发聚合酶反应,而不需要另外加入引物。此方法的成功可以对点突变进行高效、均相、灵敏检测,因此其可能在科学研究、临床诊断等诸多方面发挥重要应用。

关键词：熵驱动单核苷酸多态性均相信号放大荧光

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熵驱动下的自组螺旋结构

熵驱动下的自组螺旋结构

中性芳香族溶质在脂质体电动色谱中的热力学分配行为

2013年全国高分子学术论文报告会

作者：张冬章林溪浙江大学物理系

作为一种独特的结构,螺旋在自然界中处处可见。在拥挤环境中,研究表明管状高分子会由于排斥体积重叠而在熵驱动下自发形成螺旋结构。通过计算机模拟研究,我们考查了受限环境中不同尺度上的螺旋结构的形成情况。在分子尺度上,当半柔性高... 详细信息

作为一种独特的结构,螺旋在自然界中处处可见。在拥挤环境中,研究表明管状高分子会由于排斥体积重叠而在熵驱动下自发形成螺旋结构。通过计算机模拟研究,我们考查了受限环境中不同尺度上的螺旋结构的形成情况。在分子尺度上,当半柔性高分子链受限于球壳内或圆柱套筒之间时,我们发现受限空间的大小和链的刚性程度都会影响高分子链的构象,

关键词：螺旋结构多尺度熵驱动

来源： cnki会议评论

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化学学报 2007年第23期65卷 2663-2668页

作者：咸德玲黄可龙刘素琴肖静怡中南大学化学化工学院长沙410083

脂质体电动色谱是一种理想的评价药物与生物膜相互作用的模型.在288～323K范围内测定了中性芳香族溶质在脂质体电动色谱中的分配系数,通过三项式拟合Van'tHoff图获得了一系列的热力学参数,研究了溶质在脂质体电动色谱中的热力学分配行为... 详细信息

脂质体电动色谱是一种理想的评价药物与生物膜相互作用的模型.在288～323K范围内测定了中性芳香族溶质在脂质体电动色谱中的分配系数,通过三项式拟合Van'tHoff图获得了一系列的热力学参数,研究了溶质在脂质体电动色谱中的热力学分配行为.结果表明,分配系数随体系温度的升高和苯环所带亚甲基数目的增加而增大.从288到323K,△H>0,-T△S熵驱动过程.从288到298K,脂质体电动色谱分配系统的△Cp为负值,其表现行为与经典疏水作用一致.从303到323K,脂质体电动色谱分配系统的△Cp为正值,其表现行为与经典疏水作用不完全吻合.△H和△S呈线性关系,该分配系统存在焓熵补偿.

关键词：中性芳香族溶质脂质体电动色谱热力学熵驱动疏水作用

水杨酸型螯合树脂对Fe(Ⅲ)离子的螯合吸附行为

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物理化学学报 2009年第3期25卷 532-538页

作者：张健高保娇卢金华中北大学化学工程系太原030051

以5-氨基水杨酸(ASA)为胺化试剂,使氯甲基化的交联聚苯乙烯(CMCPS)微球表面的苄氯基团发生亲核取代反应,制得了水杨酸型螯合树脂ASA-CPS.研究了该螯合树脂对金属离子的螯合吸附行为,探讨了其吸附热力学与吸附机理,考察了介质pH值对树脂... 详细信息

以5-氨基水杨酸(ASA)为胺化试剂,使氯甲基化的交联聚苯乙烯(CMCPS)微球表面的苄氯基团发生亲核取代反应,制得了水杨酸型螯合树脂ASA-CPS.研究了该螯合树脂对金属离子的螯合吸附行为,探讨了其吸附热力学与吸附机理,考察了介质pH值对树脂螯合吸附性能的影响以及树脂对不同金属离子的螯合吸附能力.实验结果表明,水杨酸型螯合树脂ASA-CPS对重金属离子具有强螯合吸附性能,尤其对Fe3+离子表现出很强的螯合吸附能力,常温下吸附容量可达21 g/100 g.吸附过程属熵驱动的化学吸附过程,升高温度,吸附容量增高;在可抑制金属离子水解的pH范围内,介质的pH值越高,螯合吸附能力越强;对于性质不同的金属离子,ASA-CPS的吸附性能是有差别的,吸附容量的顺序为Fe3+>Ni2+>Cu2+>Zn2+.

关键词：水杨酸螯合树脂交联聚苯乙烯螯合吸附熵驱动

Gemini阳离子表面活性剂在水溶液中胶团化行为的温度效应与焓／熵补偿

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化学学报 2001年第5期59卷 690-695页

作者：郑玉婴赵剑曦郑欧游毅邱羽福州大学化学工程系福州大学化学系

测定了Gemini阳离子表面活性剂Cm-s-Cm@2Br(m=8,10,12;s=2,6及m=12;s=3,4)水溶液的电导,从电导(к)～表面活性剂浓度(c)曲线的转折点可求得临界胶团浓度cmc.实验发现,Gemini阳离子表面活性剂的胶团化倾向明显强于其'单体分子”(即单离... 详细信息

测定了Gemini阳离子表面活性剂Cm-s-Cm@2Br(m=8,10,12;s=2,6及m=12;s=3,4)水溶液的电导,从电导(к)～表面活性剂浓度(c)曲线的转折点可求得临界胶团浓度cmc.实验发现,Gemini阳离子表面活性剂的胶团化倾向明显强于其'单体分子”(即单离子头基单烷烃链表面活性剂).根据质量作用模型计算了胶团化过程的吉布氏能、焓和熵的改变,结果表明Gemini表面活性剂聚集机理和其对应的'单体分子”类似,主要来自熵驱动.所有的焓/熵补偿图均呈现良好的线性关系,补偿直线在y轴的截距随s减小而变小,这意味着具有较小s的Gemini表面活性剂倾向于生成稳定的胶团.

关键词： Gemini阳离子型表面活性剂胶团化熵驱动焓/熵补偿水溶液温度效应