基于滚动马达驱动的三维DNA walker高灵敏生物传感器的构建及机理研究

As a novel, high-performance molecular machine, DNA walker possesses widespread prospect in biosensor’s application. However, its development is seriously constrained by the uncontrollable locomotion trial, short moving distance and slow motion speed. Our project is specified in the study of DNA walker’s “track” and “motor”, aiming to establish a high sensitive, rapid DNA walker biosensor. For one thing, the mechanism and situation of the surface DNA on “spherical nucleic acid-gold nanoparticle (SNA-AuNPs) three dimensional track” are studied and regulated, through which the homogeneity of track and efficiency of the motor are improved, hence achieving the control of locomotion trial; For another thing, the catalyzed hairpin assembly (CHA) reaction is creatively coupled with enzyme assisted signal amplification (EASA) to build a double driving “rolling motor”, which sets it apart from traditional DNA molecular motor and expands the contacting area of walker strand and track, presenting a silver lining to largely improve the reaction speed. On the basis of above technical innovations, this project focuses on constructing the high-performance three dimensional DNA walker, and further exploiting effective detection method for pathogen bacteria. With the accomplishment of this project, a great development of DNA walker biosensor and its wide-range application can be expected.

DNA walker是一种新型高效分子机器，在生物传感器领域具有广泛的应用前景，但其运动轨迹不可控、运动路程短和运动速度慢严重制约了DNA walker生物传感器的发展。项目拟深入研究轨道的制备和马达的构建，创建一种高灵敏、快速的DNA walker生物传感器。通过对纳米金表面修饰DNA分子的机理研究和状态调控，显著提高其均一性和驱动马达的反应效率，实现DNA walker运动轨迹的可控；通过创造性耦合催化核酸自组装与酶辅助信号放大反应，设计新型滚动马达，进而增大DNA walker行走链与轨道接触面积，提升DNA walker运动路程和速度。基于以上技术创新与突破，构建“下一代”高性能的三维DNA walker生物传感器，并以此开发病原菌检测新方法，从而有效推动DNA walker生物传感器的发展，拓展其应用范围。

DNA walker由轨道、驱动马达和行走链组成，具有设计理念灵活、效率高等优点，被誉为“下一代”生物传感器。针对运动轨迹不可控、运动路程短和运动速度慢的瓶颈问题，本项目围绕DNA walker的轨道可控合成、高效驱动马达的开发两方面展开研究，构建系列高性能生物传感器，并应用于细菌的现场快速检测。具体工作如下：（1）成功合成了球形核酸、磁性纳米金、链霉亲和素蛋白/DNA等3种3D轨道，实现了底物分子密度和方向性的调控，系统研究轨道表面底物分子密度、方向性对DNA walker性能的影响机理，从而为解决了运动轨迹不可控问题提供了新策略；（2）系统研究free-CHA、LCHA等2种无酶核酸环路，切克内切酶、聚合酶、核酸内切酶IV等4种酶辅助核酸环路，以及双臂CHA-NEASA、三臂CHA-NEASA、HCR-NEASA、DNAzyme-HCR等4种多重核酸环路等的特性；从反应动力学角度，系统研究了影响各种信号放大策略的机制，助力多种高效的驱动马达的构建，有效解决了运动路程短、运动速度慢等问题；（3）基于轨道和驱动马达的创新，成功开发了基于DNA walker的荧光、SERS和逻辑门3种生物传感器。从轨道构建、酶反应动力学和驱动力等多个角度，分析了影响DNA walker性能的关键因素，总结了DNA walkers构建高性能生物传感器的范式。（4）成功搭建了荧光传感、激光光谱传感、光纤传感和测流免疫层析（LFIA)等4个平台。以此开发的细菌检测具有速度快、灵敏度高、通量高和操作简单的优势，有望实现细菌的POCT检测。在项目资助下，在Analytical Chemistry, Biosensors & Bioelectronics, ACS Applied Material & Interference等杂志累计发表SCI论文32篇，其中Nature index论文5篇，累计影响因子高达269，引用量超423次；授权国家发明专利1项，正在申请2项；培养博士后研究人员2名，博士研究生7名，硕士研究生10名；参加国内会议5次。项目的财务支出总体按照预算及依托单位的要求完成，个别支出稍有调整，但均在合理范围内。