“开关型”荧光纳米探针用于活细胞内生物分子的检测

The project makes use of a kind of nanomaterials with high efficient fluorescence quenching ability, combined with the fluorophore-labeled nucleic acids, peptides and other sensitive biological molecules, to construct a class of switchable nanoprobes for intracellular biomolecular analysis. The nanoprobes will be used to dynamic observe the intracellular biomolecular interaction, which can provide important information to reveal rules of biomolecular interaction within living cells, explore the mysteries of life and disease mechanism, and offer its treatment technology platform. This is a great significant innovative research in the field of cellular activities and bio-nanotechnologies.

本项目利用具有高效荧光淬灭能力的一类纳米材料，结合标记荧光基团的核酸、多肽等生物敏感分子，将其组装构建成能够实现活细胞内生物分子相互作用研究的一类"开关型"新型纳米探针。对活细胞内与细胞重大生命活动密切相关的生物分子进行实时、动态观测，为揭示细胞内生物分子相互作用的规律和机制提供重要信息，并为探索生命奥秘、重大疾病发生发展机制及其治疗提供技术平台。这是一项对细胞生命活动的研究和生物纳米技术本身发展都有重大意义的创新性研究。

本项目利用氧化石墨烯、金纳米颗粒和DNA纳米结构，结合标记荧光基团的核酸分子，将其组装构建成能够实现活细胞内生物分子相互作用研究的一类“开关型”新型纳米探针，包括: (1) 合成了表征了三种纳米材料（氧化石墨烯、金纳米颗粒和DNA纳米结构）用于构建开关型纳米探针。（2）发展了四种信号放大方法用于检测目标分子，包括核酶催化技术、杂交链式反应、催化发夹组装和超级三明治策略等。（3）我们选择肿瘤相关基因TK1 mRNA作为细胞内分子靶标来展示一种新设计的纳米探针-FRET nanofalres。简言之，金纳米颗粒上修饰一段短链DNA，与之互补的是一段两端标记荧光供受体对的发夹探针，当没有靶标时，荧光供受体对是分开的，当有靶标时，两端标记荧光供受体对的发夹探针会被竞争离开金纳米颗粒，形成发夹结构，导致荧光供受体对相互靠近发生荧光共振能量转移，这种设计能有效避免假阳性信号和系统误差的产生。（4）我们设计了一种新的比率型荧光纳米探针用于检测活细胞内pH值。具体而言，该纳米探针由金纳米颗粒，修饰在金纳米颗粒表面的短链DNA和与之互补的两端修饰荧光供受体对的i-motif链组成。在pH中性条件下，荧光供受体对分离。在酸性条件下，i-motif链发生折叠形成四聚体结构，使得两端修饰的荧光供受体对相互靠近发生荧光共振能量转移，其信号与周围酸性程度正相关。该纳米探针具有能进入活细胞、酶切保护、响应快速和pH定量检测等特点，体外和体内的实验均证实该探针能在生理条件下对pH具有很好的响应，而且在活细胞内具有和好的时间-空间分辨率。