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基于dna折纸的酶级联催化用于低密度脂蛋白的电化学检测

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分析化学 2022年第6期50卷 850-858页

作者：余紫荆肖明书裴昊李丽华东师范大学化学与分子工程学院上海市绿色化学与化学过程重点实验室崇明生态研究院

很多疾病（如动脉粥样硬化）的发生与低密度脂蛋白（LDL）水平的上升密切相关，发展快速、灵敏的LDL分析方法对于相关疾病的早期诊断具有重要意义。本研究构建了一种基于dna折纸的酶级联催化电化学传感器用于LDL的检测。基于核酸的可编... 详细信息

很多疾病（如动脉粥样硬化）的发生与低密度脂蛋白（LDL）水平的上升密切相关，发展快速、灵敏的LDL分析方法对于相关疾病的早期诊断具有重要意义。本研究构建了一种基于dna折纸的酶级联催化电化学传感器用于LDL的检测。基于核酸的可编程性和可寻址性，可将胆固醇氧化酶和辣根过氧化物酶特异性锚定在dna折纸上，并通过控制酶间距（如20、40和80nm），实现了对LDL级联催化效率的优化。通过Au—S化学键，将负载酶的dna折纸结构修饰在金电极表面，构建了酶级联催化电化学传感器。此传感器对LDL检测具有优异性能，在2～15μmol/L浓度范围内具有良好的线性关系，并且检出限低（1.8μmol/L(S/N=3)），选择性良好。将此传感器应用于健康人血清中LDL的检测，加标回收率在97.8%～103.6%之间，表明此传感器具有良好的重现性、稳定性和实用性。基于dna折纸的酶级联催化电化学传感器为LDL的快速、灵敏检测提供了一种新方法，有望用于动脉粥样硬化的早期诊断。

关键词： dna折纸酶级联催化电化学传感器低密度脂蛋白

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dna折纸模板调控金属沉积形貌的研究

DNA折纸模板调控金属沉积形貌的研究

作者：胡洋南京邮电大学

学位级别：硕士

金属纳米材料在催化、光学、电子学和生物传感等领域有着广泛的应用,这与金属纳米材料具有的优异理化性质密切相关,然而,其理化性质取决于形貌、尺寸、化学组成,如何控制形貌和尺寸以设计结构更复杂、性能更理想的功能金属纳米材料,仍... 详细信息

金属纳米材料在催化、光学、电子学和生物传感等领域有着广泛的应用,这与金属纳米材料具有的优异理化性质密切相关,然而,其理化性质取决于形貌、尺寸、化学组成,如何控制形貌和尺寸以设计结构更复杂、性能更理想的功能金属纳米材料,仍存在挑战。dna(Deoxyribonucleic Acid)金属化概念的提出,为金属材料的可控制备提供了新的思路。然而,受限于dna模板种类和形状,能够制备的金属形貌有限。近年来,dna纳米技术已经发展成为一个高度创新和广泛应用的领域。其中,dna折纸具有独特的结构可编程性和位点可寻址性,可以在原子和分子水平上精确组织纳米级材料。dna折纸作为模板在控制纳米材料的形态,特别是指导金属纳米材料的合成方面具有独特的优势,为利用dna金属化方法制备丰富形貌和优良性质的金属纳米结构提供了更多的可能性。本文在dna折纸模板调控金属纳米结构的合成方面展开了一系列的研究,具体研究内容如下:1.将dna折纸术和电化学沉积技术相结合,使用dna折纸模板调控金属电化学沉积,制备特定形貌的单金属纳米结构。首先,利用dna折纸的可寻址性,对三角形折纸特定位置的dna单链进行延伸,经退火组装后延伸链锚定在dna折纸上形成所设计的模板图案。然后,将金属盐溶液和折纸模板混合,由于静电或配位相互作用,金属离子在延伸链上富集。最后,采用恒电位法进行电化学沉积,金属离子在延伸链上还原,得到符合设计形貌的金属纳米结构。使用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)表征,结果证明采用以上方法成功制备了特定形貌的单金属银、铜、金、铁纳米结构。2.在上述基于dna折纸模板制备特定形貌的单金属纳米结构的基础上,本节进一步探索了使用dna折纸模板调控多金属的电化学沉积,制备特定形貌的纳米合金和核壳结构。通过探索合适的电化学共沉积条件,将混合金属盐溶液还原,在dna折纸模板上制备了Cu-Fe合金和Ag-Cu合金,这一策略理论上可以得到任何沉积条件相近的金属组分的合金。此外,采用分步电化学沉积策略,通过控制沉积电位,先后在dna折纸模板上分别沉积金属Ag和Cu,制备了Ag/Cu核壳结构,核壳能够作为保护电路的镀层结构,这一方法为纳米级电路制造提供了新的思路。3.dna折纸模板调控金属等离子体纳米结构。通过对矩形折纸特定位置的dna单链进行延伸,退火组装形成Bowtie结构模板,加入含Au Cl的反应液,经电化学沉积后,得到了Bowtie型等离子体金纳米结构。本节分别制备了两种不同尺寸和两种不同间距的金Bowtie结构。本研究为等离子体金属纳米结构的可控制造提供了新的方法。4.探索了dna折纸作为模板指导金属纳米阵列合成的潜力。首先,探索了dna折纸模板在云母表面上密铺形成单分子层折纸阵列的条件;然后,采用化学沉积的方法,探索了在密铺的dna折纸模板上制备金属Cu阵列的潜力。本研究初步证明了这种方法制备金属纳米阵列的可能性,为金属纳米阵列的制备提供了新的途径。

关键词： dna折纸 dna金属化金属纳米结构电化学沉积化学沉积

dna折纸自组装诱导脂筏高阶聚集抑制癌细胞迁移

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DNA折纸自组装诱导脂筏高阶聚集抑制癌细胞迁移

作者：杨倩云华东师范大学

学位级别：硕士

细胞迁移从胚胎发生到肿瘤转移的各种生物现象中都起着核心作用。目前研究调节细胞迁移行为的主要方法是配体诱导细胞膜表面受体聚化。然而用于研究调控细胞迁移的相关受体单一,且受体聚集过程依赖受体在细胞膜上的随机碰撞和非定向迁移... 详细信息

细胞迁移从胚胎发生到肿瘤转移的各种生物现象中都起着核心作用。目前研究调节细胞迁移行为的主要方法是配体诱导细胞膜表面受体聚化。然而用于研究调控细胞迁移的相关受体单一,且受体聚集过程依赖受体在细胞膜上的随机碰撞和非定向迁移,受体聚集调控效率低。因此在细胞迁移研究中,制定一种调控多受体聚集,提高受体聚集效率的策略具有重要意义。已有一些研究表明存在于细胞膜表面微膜域脂筏内的蛋白与细胞骨架的形成及细胞迁移行为密切相关。然而脂筏的小尺寸和动态特性给精准调控脂筏带来了挑战。dna折纸纳米技术由于其灵活的结构设计,在纳米级精确组装分子方面具有巨大的潜力。因此,我们提出一种基于dna折纸的自组装技术诱导脂筏高阶聚集用于抑制肿瘤细胞迁移的策略。我们开发了一种dna折纸在细胞膜表面自组装的技术。其可以高效锚定细胞膜上的脂筏,并且对脂筏进行二维平面式的高阶聚集。这项技术能够在体外体内显著抑制肿瘤细胞的迁移,应用于肿瘤治疗。此外,我们还探究了脂筏与细胞迁移行为之间的相互联系,为细胞生物学中研究脂筏的细胞功能方面提供了补充研究。本工作提出的基于dna折纸自组装技术对细胞膜功能域的调控及指导细胞功能或行为的研究中具有巨大的潜力。本论文从以下几个部分进行介绍:第一章绪论首先,本章从dna纳米分子组装尺寸上的三个维度:一维dna分子组装、二维dna分子组装、三维dna分子组装来介绍dna分子组装技术的研究进展。其次,本章从dna分子组装技术在三种膜表面:活细胞膜、细胞外囊泡膜、合成脂囊泡膜的功能化来介绍其生物应用研究。最后概述了本工作的研究意义和研究内容。第二章dna折纸在细胞膜表面自组装技术的开发在本工作中,我们开发了一种基于dna折纸的自组装技术用于特异性高效靶向细胞膜上的脂筏,诱导脂筏高阶聚集。我们对dna折纸进行了链设计,使其具有锚定和自组装的能力。为了模拟细胞膜上磷脂双分子层的环境和行为,建立了一种基于云母片表面的支持脂质双层dna折纸自组装的新方法,使dna折纸可以呈现与在溶液环境中不同的二维界面组装形态。此外,dna折纸在细胞膜上的自组装仍具有显著的生物相容性。本工作为细胞膜表面功能域的可控自组装提供强大的工具和平台。第三章dna折纸在细胞膜表面自组装抑制癌细胞迁移研究在本工作中,我们研究了开发的dna折纸自组装技术在体外体内抑制肿瘤细胞迁移的表现和能力。体外我们研究和表征了集群细胞的迁移行为和个体细胞的运动能力,结果表明dna折纸诱导脂筏的聚集能够显著抑制肿瘤细胞迁移。活体内使用小鼠肿瘤模型进行dna折纸自组装的研究,同样显示出其抑制肿瘤生长和迁移能力的优良特性。此外,我们使用蛋白组学分析手段研究dna折纸自组装抑制细胞迁移行为的分子机制。本工作通过利用dna折纸工具的结构设计优势调控细胞膜表面脂筏,显示其在抑制肿瘤细胞迁移行为方面具有重大潜力。

关键词： dna折纸细胞迁移脂筏自组装

金纳米粒子-dna折纸组装体的构建及对17β-雌二醇的检测

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食品安全质量检测学报 2022年第11期13卷 3460-3466页

作者：王小娟任舒悦高志贤梁俊天津科技大学食品科学与工程学院食品营养与安全国家重点实验室天津300457 军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所天津市环境与食品安全风险监控技术重点实验室天津300050

目的建立“一步退火”法实现金纳米粒子在dna折纸上的高效组装,结合适配体,采用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)实现17β-雌二醇(17β-estradiol,E2)的可视化检测。方法巯基修饰的dna和金纳米粒子混合物(SH-dna/gold nanopar... 详细信息

目的建立“一步退火”法实现金纳米粒子在dna折纸上的高效组装,结合适配体,采用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)实现17β-雌二醇(17β-estradiol,E2)的可视化检测。方法巯基修饰的dna和金纳米粒子混合物(SH-dna/gold nanoparticals,SH-dna/AuNPs)与正丁醇接触,快速除去水分,通过Au-S键共价结合形成致密的球形核酸(spherical nucleic acids,SNAs)。引入一种自下而上可编程dna自组装的方法-dna折纸术,利用其精确的定位功能,将dna折纸单链和球形核酸混合,一步退火形成dna折纸-金纳米粒子组装体结构。进一步将dna折纸与适配体结合,金纳米粒子作为信号探针,利用AFM进行E2的可视化检测。结果通过加盐实验和电位表征,表明正丁醇法能够在几秒内完成金纳米粒子的表面功能化,节省了实验时间;通过AFM表征,表明“一步退火”可以实现金纳米粒子在dna折纸上的高效组装,并且“一步退火”的组装效果远远好于“二步退火”。生物传感器可以通过AFM直观地检测50 ng/mL的E2。结论本研究利用正丁醇法合成的球形核酸经过一步退火实现了在dna折纸上的高效组装,同时提出了基于dna折纸可视化检测E2的纳米生物传感新方法。

关键词： dna折纸自组装金纳米粒子球形核酸

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dna折纸在纳米生物医学中的应用

南方医科大学学报 2021年第6期41卷 960-964页

作者：王建华张萍夏青林魏余辉陈文勇王静李鹏程李宾周星飞宁波大学物理科学与技术学院浙江宁波315211 中国科学院上海应用物理研究所物理生物研究室上海201800 中国科学院大学北京100049 中国科学院上海高等研究院基础交叉中心上海201210

dna纳米技术是一种人工设计并自组装形成复杂核酸结构的技术,dna折纸技术的出现使构建具有不同尺度二维和三维复杂纳米结构简便易行,是结构dna纳米技术发展的一个里程碑。由于dna折纸具有结构可控、可精确寻址、易于化学修饰和生物相容... 详细信息

dna纳米技术是一种人工设计并自组装形成复杂核酸结构的技术,dna折纸技术的出现使构建具有不同尺度二维和三维复杂纳米结构简便易行,是结构dna纳米技术发展的一个里程碑。由于dna折纸具有结构可控、可精确寻址、易于化学修饰和生物相容性好等特点,近年来在纳米生物医学领域获得了广泛关注并取得巨大进展。本文对dna折纸在以下3个方面的应用做了简述:在生物分子检测方面介绍了癌细胞识别、单分子水平直读检测和抗原抗体相互作用;在靶向给药方面介绍了红霉素体内运输和纳米机器人药物运输;最后,在生物材料方面主要介绍了折纸作为抗凝剂抑制凝血酶的活性产生、折纸金属化以及折纸纳米片药物的合成等方面的应用。

关键词： dna折纸可寻址性生物传感药物运输生物材料

用于痕量己烯雌酚检测的dna折纸表面增强拉曼散射信号探针的制备

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食品安全质量检测学报 2022年第11期13卷 3445-3451页

作者：史苞蒂李森陆旸高志贤天津科技大学食品科学与工程学院天津300457 军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所天津市环境与食品安全风险监控技术重点实验室天津300050

目的制备具有表面增强拉曼散射效应的dna折纸信号探针,应用于己烯雌酚的检测。方法M13mp18长链dna,与适配体dna链、Cy5信号分子标记dna链等短链引物经两次退火,合成菱形dna折纸。修饰了巯基dna的金纳米粒子(gold nanoparticles,AuNPs)... 详细信息

目的制备具有表面增强拉曼散射效应的dna折纸信号探针,应用于己烯雌酚的检测。方法M13mp18长链dna,与适配体dna链、Cy5信号分子标记dna链等短链引物经两次退火,合成菱形dna折纸。修饰了巯基dna的金纳米粒子(gold nanoparticles,AuNPs)通过碱基互补配对,自组装在菱形dna折纸特定位点,构建一种dna折纸信号探针。通过琼脂糖凝胶电泳以及原子力显微镜分析dna折纸信号探针合成效率的影响因素,对比不同波长激光下的dna折纸信号探针增强效应,优化实验条件,对不同浓度的己烯雌酚进行检测。结果dna折纸信号探针具有显著的表面增强拉曼散射效应,在785 nm激光波长下,己烯雌酚的最低检出浓度为0.05μg/L。结论本研究制备的dna折纸信号探针可作为表面增强拉曼光谱的基底用于己烯雌酚的痕量检测,在食品安全领域具有良好的应用潜力。

关键词： dna折纸己烯雌酚适配体信号探针表面增强拉曼散射

基于dna折纸的多适体集成传感器阵列用于准确识别癌细胞

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基于DNA折纸的多适体集成传感器阵列用于准确识别癌细胞

作者：陈谯吉华东师范大学

学位级别：硕士

早期癌症诊断可大大增加癌症患者的治愈率,准确识别癌细胞的方法将提高早期癌症诊断的准确性。越来越多证据表明,细胞表面受体可作为细胞识别的分子标志物。然而,这些细胞表面标志物并非仅仅在一种细胞上表达,这使得准确识别癌症细胞亚... 详细信息

早期癌症诊断可大大增加癌症患者的治愈率,准确识别癌细胞的方法将提高早期癌症诊断的准确性。越来越多证据表明,细胞表面受体可作为细胞识别的分子标志物。然而,这些细胞表面标志物并非仅仅在一种细胞上表达,这使得准确识别癌症细胞亚型具有挑战性。对于许多缺乏明显的分子标志物的癌细胞,往往需要对其表面的多个标志物进行识别。细胞识别的常用方法是建立在多轮分离抗体标志物基础上的多色免疫荧光染色法,但这种方法有几个缺点,例如,劳动强度大、成本高且无法用于活细胞识别。虽然通过利用抗体或适配体靶向多个膜表面标志物的dna逻辑分析方法已被证明能够准确和有效地识别特定的癌细胞类型,然而这种方法的鉴别能力仍然受到抗体或适配体类型的限制,只能识别少数的几种细胞。因此,在临床诊断中仍然需要开发快速、准确、高通量的癌细胞鉴别方法。为了应对挑战,并且受哺乳动物嗅觉系统的启发,“化学-鼻子”传感方法为我们同时检测多种癌细胞提供了新的思路。这种传感器上的非特异性传感元件能够对每个分析物产生不同的响应模式。本论文提出将多适体集成的dna折纸探针（MADO）作为癌细胞模式识别的非特异性传感探针,该探针由核酸适配体、三角形dna折纸骨架以及荧光基团共同组成。得益于核酸的可编程性和可寻址性,几种能够识别癌细胞表面受体（例如,核仁蛋白、MUC1蛋白、Ep CAM）的适配体（例如AS1411适配体、MUC1适配体、Ep CAM适配体）可以同时组装在dna折纸结构上。本论文通过控制组装在dna折纸结构上的适配体的类型和数量,设计并构建了5个与5种类型细胞（包括He La、MDA-MB-468、MCF-7、Hep G2和MCF-10A）具有不同亲和力的MADO探针。这种传感元件具有几个独特性质。首先,由于膜受体的类型以及表达水平不同,MADO探针会与不同的癌细胞发生不同的相互作用。其次,MADO探针和癌细胞之间的相互作用可以通过改变MADO探针上适配体的类型或数目来调节。第三,在dna折纸上组装多个适配体可以扩大这种非特异性传感元件的识别能力。之后我们将多个集成的MADO探针构建成传感器阵列,该传感器阵列可以针对不同癌细胞类型生成对应的特征指纹。本论文证明,基于五种MADO探针的“化学-鼻子”传感器能够以95.0%的准确率实现未知细胞样本的识别,是简单、高精度识别癌细胞的强大工具。进一步研究中,本论文寻求用最少数量的MADO探针组合来对细胞群进行准确鉴定。在此过程中,探针间的欧氏距离被用于衡量两个MADO探针对细胞类型分类贡献的相似性,最终仅需三种探针即可以95%的准确率识别所有细胞。基于MADO的传感平台不仅是精确区分五种特定细胞的强大工具,同时也为无标记肿瘤细胞识别打开了新的途径,在医学诊断中具有广阔的应用前景。

关键词：核酸适配体 dna折纸癌细胞识别荧光探针阵列

基于dna折纸自组装的适配体传感检测技术研究

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基于DNA折纸自组装的适配体传感检测技术研究

作者：王小娟天津科技大学

学位级别：硕士

dna折纸术是一种自下而上的dna自组装技术,具有纳米级精确的空间寻址能力,在新型传感技术的研究应用方面展现出巨大的潜力。本研究聚焦于dna折纸技术术,研究了dna折纸制备技术及其在适配体传感器构建中的应用。论文包含两个部分:第一,... 详细信息

dna折纸术是一种自下而上的dna自组装技术,具有纳米级精确的空间寻址能力,在新型传感技术的研究应用方面展现出巨大的潜力。本研究聚焦于dna折纸技术术,研究了dna折纸制备技术及其在适配体传感器构建中的应用。论文包含两个部分:第一,“一步退火”法改进dna折纸上金纳米粒子(gold nanoparticles,Au NPs)的组装效率。巯基修饰的dna与Au NPs在正丁醇的除水作用下快速且充分的接触,并通过Au-S键共价结合形成致密的球形核酸。利用dna折纸纳米级的精确度,将合成dna折纸所需的单链和球形核酸混合,一步退火形成dna折纸-Au NPs组装体。柠檬酸盐还原法合成的Au NPs粒径均一,直径在18.2±1.9 nm。通过加盐实验和电位测定,说明球形核酸的成功合成。AFM表征表明“一步退火”的方法可以实现Au NPs在dna折纸上的高效组装。第二,构建了一种基于可编程自组装dna折纸-荧光标记适配体的特异灵敏检测三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的新策略。利用dna折纸精确定位荧光团标记的适配体,巧妙利用dna折纸与适配体的分子量差异,通过超滤管离心实现ATP的定量检测。首先,dna折纸通过dna自组装构建,其次选择FAM荧光标记的ATP适配体作为识别元件和信号探针,通过简单的碱基互补配对结合在dna折纸上,从而使折纸阵列上呈现高荧光。进一步,ATP与适配体竞争结合触发适配体-目标物混合物从折纸阵列表面释放,导致折纸阵列上荧光信号减弱,通过100k D超滤管离心,检测截留在离心器中折纸阵列的荧光强度来定量ATP的浓度。原子力显微镜,激光共聚焦显微镜,电泳等方法,表征了折纸-适配体阵列的成功合成。采用荧光分光光度计对目标物进行检测。520 nm波长处的荧光强度差值与0.1 ng m L～1000 ng m L浓度ATP的对数呈良好的线性关系,其检测限为0.29 ng m L,选择CTP,UTP,GTP评估了本方法的特异性。基于适配体的特异性和链置换反应的检测原理,证明折纸阵列具有重复使用的潜力。此外,通过更换适配体和互补链,验证了该方法的通用性。因此,本研究为dna折纸技术在小分子检测中的应用开辟了新策略。

关键词： dna折纸可编程自组装金纳米粒子适配体传感器小分子检测

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基于dna折纸的自组装计算研究

基于DNA折纸的自组装计算研究

作者：王方广州大学

学位级别：硕士

硅基计算机发展至今,面对摩尔定律的逼近和海量信息处理需求稍显乏力,因此研究者从未停止探索其他新型计算方式。dna计算是一门融合信息科学、生物技术、数学与自动化等多个领域的交叉学科,具备信息容量大、并行性高和保留生物活性等特... 详细信息

硅基计算机发展至今,面对摩尔定律的逼近和海量信息处理需求稍显乏力,因此研究者从未停止探索其他新型计算方式。dna计算是一门融合信息科学、生物技术、数学与自动化等多个领域的交叉学科,具备信息容量大、并行性高和保留生物活性等特点,相关研究涉及分子计算、信息存储、大数据分析、精准医疗等前沿方向。以dna tile、dna折纸为代表的自组装纳米技术为dna计算提供了可编程分子平台。然而尺寸受限的dna折纸单体难以满足日益复杂的应用需求。一种方法是通过定义连接规则让多个折纸有序地自组装成大型结构。已有许多基于可编程自组装的微米级平铺阵列、可控尺寸的画布、框架结构被成功构建。因此,构建可计算dna折纸并控制其组装放大为一定规模的dna阵列,将dna折纸作为计算元件而非计算平台来执行计算过程,扩展了折纸结构在dna计算领域的应用前景。本文以dna折纸作为基本元件,基于自组装技术提出了一套可编程自组装规则,并最终在其基础上开发了一个dna计算模型。主要研究内容和取得的研究成果如下:首先,本文设计并实现了一种含有8个连接域的可计算dna折纸结构。与以往支持可编程连接的折纸不同在于,连接域不再局限于U、D、L、R四个方向,8个连接边提供了更多可编码位点。通过建立空间模型、仿真实验的方式,以及生物实验手段设计、实现并优化了该dna折纸结构,保证其稳定性。其次,以所设计的dna折纸为基本单元,本文开发了一套折纸间可编程自组装连接规则,并以双单元连接为例展示了基于这套规则生成的可控的自组装阵列。随后采用粘端互补和堆积力两种方式,分别实现了确定和非确定两种连接逻辑。同时进一步探索了影响连接稳定性的因素,寻找出了能够提高连接产率的实验条件。最后,本文展示了可编程连接系统在构建复杂阵列和dna计算中的应用——包括实现了“正方形框”、“风车”、3的倍数等有限自组装阵列,以及构建了一个可计算最小公倍数的dna计算模型。这些工作体现了所设计的8边缘dna折纸在构建规模可控纳米设备与分子计算方面的应用潜力。

关键词： dna计算 dna折纸可编程自组装有限自组装最小公倍数