智能DNA分子納米機器人非線性云集“圍攻”靶標原子力顯微成像
無論是生化分析還是疾病診斷，快速準確檢測到目標生物分子已成為“剛需”。DNA作為傳統的遺傳物質，正以新興納米材料的身份成為生物分析工具的“新寵”。
中科院合肥物質科學研究院研究員楊良保課題組、安徽大學研究人員等構建了可非線性云集“圍攻”生物靶標分子的智能DNA分子納米機器人模型。相關成果近日發表于《納米視野》。
“圍攻”生物靶標
“在試管液體環境下，智能DNA分子納米機器人會自動識別目標生物分子，然后迅速集結‘圍攻’，實現對目標生物分子的捕獲和信號放大，有助于研究人員對其快速追蹤。”安徽大學教師、論文第一作者李紹飛說，就像一只蜜蜂“盯”上了目標物，然后“召喚”其他蜜蜂不斷進行“圍攻”，形成容易被發現的聚集群。
智能DNA分子納米機器人非線性云集“圍攻”靶標示意圖
李紹飛介紹，智能DNA分子納米機器人模型以短的單鏈DNA為骨架，長度通常為100個左右的核苷酸，通過自身折疊形成納米尺度的結構設備，其形狀類似于一個發夾。
智能DNA分子納米機器人模型由多功能機械臂和備選附件（藥物、信號標簽、靶標鉗夾等）、靶標驗證器、智能云集路徑控制器和自組裝馬達等部件組成。
每個部件都有各自的“使命”。例如，多功能機械臂可以從混合物中抓取目標分子，然后由靶標驗證器檢驗抓取目標的正確性。在抓取和識別到正確的目標分子后，機器人開始在路徑控制器的引導下，按照非線性的路徑方式云集，并依賴自組裝馬達驅動機器人完成云集組裝，最終形成大的組裝體。
當這些部件完成各自“使命”時，目標分子充分“暴露”，只能乖乖“束手就擒”。
相比目前常用的PCR（聚合酶鏈式反應）檢測技術，李紹飛認為，智能DNA分子納米機器人集結“圍攻”靶標的信號放大策略，具有無酶、常溫和操作簡單等獨特優勢，有利于在即時檢驗或臨床檢驗中的應用。
創新設計原理抗“滲漏”
DNA是由4種核苷酸為基本單位連接而成的生物分子，特定的核苷酸之間可以相互配對結合。依賴這種自身作用力，合理設計和人工合成DNA分子，可以在體外自組裝成各種DNA納米機械設備。
DNA納米機械設備常用的一個原理是以雜交鏈式反應為代表的三分支鏈置換反應。“這種傳統的雜交鏈式反應通常至少包含兩種簡短的DNA組分元件，它們是專門針對目標生物分子設計的。當目標生物分子存在時，兩種簡短的DNA組分元件相互交替結合，以線性的單一方式不斷延長，起到對目標分子識別和線性信號放大的作用。”李紹飛說。
由于非線性信號放大相比線性信號放大，更有利于提高分析檢測的靈敏性，所以科學家試圖基于雜交鏈式反應，提出一種發展非線性信號放大的策略。
然而，這一策略的進展遇到瓶頸——“系統滲漏”。
“系統滲漏是指在無目標生物分子參與下，短的DNA組分元件之間‘私自’相互結合為長的DNA，形成假的信號放大，嚴重影響分析檢測的特異性和靈敏性。”李紹飛告訴《中國科學報》。
簡單來說，“系統滲漏”可能會導致檢測結果成“假陽性”。
在前期研究中，李紹飛等揭示了滲漏發生的機理，提出了抗滲漏的措施。
此次研究中，他進一步對滲漏和抗滲漏機制提出新見解，創新性地采用了四分支鏈置換反應原理，建立了可非線性云集“圍攻”生物靶標分子的智能DNA分子納米機器人模型，實現對目標生物分子的非線性信號放大。
挖掘更多應用潛能
團隊成員分別將腫瘤細胞小分子和外泌體等作為靶標，通過整合無標記表面增強拉曼光譜信號讀出技術和熒光分子信號標簽，成功對靶標實現了追蹤，初步驗證了智能DNA分子納米機器人模型的應用性能。
識別和捕獲目標生物分子，以及靈敏地進行信號放大和讀出，是發展生物分析工具的永恒追求。
盡管目前已經創新了方法原理，并且建立了模型，但李紹飛坦言，“考慮到DNA分子運動的復雜性和表征手段的局限性，以及生物樣品的多樣性，對模型的應用性能探索空間還很大”。
下一步，團隊將重點優化智能DNA分子納米機器人模型云集組裝效率，并進一步整合優良的信號讀出技術，挖掘其在DNA納米技術、生化分析和生物醫學中的應用潛能。
“特別是針對當前流行傳染性疾病，團隊正著手探索利用智能DNA分子納米機器人模型進行超靈敏診斷的可行性。”李紹飛說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1039/D2NH00018K
