基于杂交链式反应的DNA可控自组装及其在生化分析中的应用

At present, the research of DNA self-assembly materials is one of the important areas in nanobiology. Our research is focused on the control of self-assembly of DNA based on hybridization chain reaction and the application of DNA self-assembly materials as a signal amplification method in biochemistry analysis. The characteristic sequence of 16SrRNA in pathogenic Vibrios is used as target molecule. In the presence of the target, the self-assembly of DNA is triggered by target DNA and realized based on hybridization chain reaction (HCR). To conquer the question of slow reaction, many DNA self-assembly reactions are simultaneously induced on surface of Au nanoparticles, which is better than before at reaction rate and detection sensitivity. Thus, the reaction time of DNA self-assembly will be greatly decreased. Additionally, the DNA self-assembly by exponential amplification will also be constructed through the origination of targets to further improve the detection sensitivity. The resulted DNA self-assembly materials will be used as a vector of signal amplification, and target molecule can be detected highly sensitively. Therefore, our research will be a highly sensitive and novel biochemical analysis detection method in the detection process of aquatic pathogen in the future.

DNA自组装研究是目前纳米生物学的重要领域之一。本研究主要开展了基于靶标分子引发的杂交链式反应，并以此形成DNA分子的可控自组装和信号的放大，构建新颖的生化分析方法。 本研究以致病弧菌的16SrRNA的特征序列作为检测的目标分子，在目标分子的引发下，依赖于杂交链式反应，实现DNA分子的线性有序自组装生长，同时实现检测信号的放大。为了提高DNA材料自组装的效率，在纳米金介导下，构建多个可以同时引发的DNA自组装反应。这种DNA自组装生长方式可以进一步的提高反应的速度和检测的灵敏度。另外，本研究预构建另一种在目标分子引发下可以指数增长的DNA自组装方式进一步提高检测的灵敏度。 这些自组装的DNA材料可以作为生化检测信号的载体，实现目标分子到检测信号的有效放大，从而构建新颖的高灵敏的生化分析检测方法，为水产品病原菌的快速灵敏检测提供强有力的工具。

DNA自组装研究是目前纳米生物学的重要领域之一，本项目在HCR反应的基础上设计出了一种新型的树枝分叉DNA扩增方法—指数式发卡组装（Exponential Hairpin Assembly，EHA）。该反应只需要四条发卡型DNA，以致病弧菌的16SrRNA的特征序列作为检测的目标分子，在目标分子的引发下，自发进行指数式DNA组装并在较短的时间内生成一个较大的DNA聚合体。通过调整反应条件得到不同形态的DNA网状结构，该网状结构能作为一种新型的DNA纳米材料应用于分子成像，微粒子分离等领域，同时也能作为信号放大的载体应用于生化分析检测。. 本项目以该纳米材料作为信号放大的载体，结合荧光成像单分子检测技术和纳米金比色检测技术，将该反应应用于DNA的检测中。实验结果显示纳米金比色检测技术能有效的消除背景信号的影响，实现对DNA的灵敏检测。在最佳反应条件下，靶标浓度在25-10000 pM之间时，比色检测结果成良好的线性关系，该检测方法能在15 min内实现肉眼检测25 pM的靶标DNA，该检测限比传统的纳米金比色检测方法降低了约400倍，同时通过紫外可见光分光光度计可检测11.2 pM的靶标DNA。此外，在无酶的指数发卡自组装反应的基础上，选用指数发卡自组装反应结合荧光共振能量转移对 Cy3/Cy5，可进行单链核酸的检测。. 本项目通过DNA自组装构建了一种DNA纳米材料，并将该纳米材料应用于纳米金比色检测DNA中，该检测方法反应迅速，耗时短，灵敏度高，反应结果可通过肉眼直接观察，操作简单，为水产品病原菌的快速灵敏检测提供了强有力的工具，可潜在的应用于实时现场快速检测。同时，本项目还对核酸扩增平台进行了一系列的研究并取得了一定的成果，已在 J. Am. Chem. Soc.，Anal. Chem.，Chem. Commun.等高水平学术期刊发表多篇学术论文，为核酸有效快速检测提供了很好的扩增平台。