基于DNA杂交的介观尺度无机构筑基元的可控组装及其在生物分子可视检测方面的应用研究

In order to satisfy the increasing requirements of miniaturization, visualization and low cost on aptamer biosensors in the field of biological analysis, and to develop the potential application in self-assembly, in this project, it is proposed that the specific identification and the reversible binding of DNA aptamers to their target biomolecules are introduced into the self-assembly of mesoscale building block, to realize the controllable assembly/disassembly and visual detection of target biomolecules. Two kinds of representative inorganic materials with good biocompatability are used to construct mesoscale building blocks. Then, the DNA aptamer is grafted onto the surface of building block through the coupling reaction, and hence, a universal method to prepare mesoscale probe is developed. After the addition of target DNA, visual assembly of mesoscale building block is driven by the interaction of DNA hybridization, and the corresponding visual detection is realized through regulating and optimizing the assemble conditions. In order to explore the feasibility of quantified detection, we will further investigate the semi-quantified correlation for the interaction force between assembled blocks and the concentration of target DNA using the dynamic contact angle equipment. We believe this research is helpful to break the limit that the electrical and optical detection means are needed in the past detection, and provide a novel model and approach for the preparation of simple, portable and visual biosensors.

为满足生物分析领域中对适配体传感器日益小型化、可视化及低成本的需求，并进一步开发自组装在实际应用中的潜力，本项目拟将生物体系中DNA核酸适配体对目标分子的特异性识别和可逆结合作用引入介观尺度构筑基元的组装中，实现构筑基元可控的组装及解组装，同时实现对目标生物分子的可视检测。选择无机材料里具有良好生物相容性的两种代表材料来构筑介观尺度组装基元，拟通过化学交联反应将适配体DNA接枝到构筑基元表面，从而发展一种普适性的制备介观尺度检测探针的方法。加入待检测的目标DNA，通过调控和优化组装条件，实现由DNA杂交作用驱动的介观构筑基元的可视化组装及检测。采用微小力测量装置进一步研究组装基元之间作用力与目标DNA浓度的定量关系，探索定量检测的可行性。我们相信本项目的研究，有助于突破以往检测中需要电学和光学等检测手段的限制，为研制简单、便携、可视化的生物传感器提供新的参考模型和研究途径。

为满足生物分析领域中对适配体传感器日益小型化、可视化及低成本的需求，并进一步开发自组装在实际应用中的潜力，我们成功地将生物体系中DNA杂交作用及DNA核酸适配体同目标生物分子的特异性识别和可逆结合作用引入介观及微纳米尺度构筑基元的组装中，实现了构筑基元的可控组装及解组装，同时实现了对目标生物分子的单独或多目标体系的同时检测分析。取得的主要成果如下：.第一部分介观尺度组装工作：我们选择了生物相容性好具有代表性的SiO2，PDMS以及SU8光刻胶等材料作为构筑基元，通过交替层状组装方法在构筑基元表面引入聚电解质多层膜。聚电解质多层膜的引入不仅可以作为柔性间隔层弥补构筑基元表面粗糙度的差异，还为后续接枝DNA提供了交联反应的氨基位点。进而我们通过戊二醛交联的方法实现了带有适配体序列片段DNA在构筑基元表面的成功接枝，构建了一种通用的制备介观尺度检测探针模型的方法。由于DNA杂交作用是一种近程驱动力，要实现介观尺度的构筑基元组装需要外加驱动力达到DNA杂交作用的力程范围内，因而我们引入了宏观超分子组装中的长程驱动力作用，例如：外磁场的精确操控及定位策略，结合DNA杂交作用，实现了介观尺度构筑基元在基底的可控运动及组装。进而通过对温度的调控以及引入DNA链置换策略，我们可以实现构筑基元的解组装以及反复可逆循环组装。所构筑的介观尺度构筑基元阵列，由于表面修饰有不同序列的DNA信息，可以作为后续检测分析的探针阵列，从而应用于多目标混合体系的检测分析。这种介观尺度检测探针阵列模型的构建，为研制新型生物芯片提供新的思路及途径。.第二部分纳米尺度组装工作：利用DNA的结构转换策略来调控微纳米尺度构筑基元组装，在实现可控组装及解组装的同时，由于组装基元在组装前后产生了表面等离子体共振耦合、局域电磁场增强或荧光信号等改变，构建了一系列信号打开型（Signal-On）光学生物传感器，可实现对目标DNA以及小分子等高灵敏度的检测分析。