具有荧光共振能量转移效应的DNA纳米探针的设计、构建与应用

Fluorescent Microscopy Imaging (FMI) has been a powerful tool in the research field of biological science. Nanomaterials with unique optical properties have shown great promise as probes for bioimaging and a wide range of fluorescent probes have been designed and prepared. The present research proposal is aimed to develop a series of new functional DNA nanostructures with high fluorescence resonance energy transfer (FRET) efficiency for fluorescent bioimaging. First, new functional DNA nanostructures will be designed and prepared by combing FRET donor-acceptor pairs and well-defined DNA nanostructures. Then recognition units for different cellular targets (e.g. tubulin, actin and clathrin) will be attached to these fluorescent DNA nanostructures for selective imaging. In the last, this series of new fluorescent imaging probes will be investigated and evaluated for their application in high-resolution cellular imaging using confocal laser scanning microscope (CLSM). Studies in present research proposal will probably expand applications of DNA nanotechnology and contribute to the development of molecular probes based on DNA nanostructures.

纳米科技和生命科学是21世纪最前沿的两大学科。荧光显微成像技术目前已成为生命科学领域的重要研究工具，而纳米科技的介入为荧光显微成像技术的发展提供了无穷的发展空间。本项目的预期目标是设计新型的具有荧光共振能量转移（FRET）效应的功能化DNA纳米结构，发展一种通用型的，具有多模式、多尺度生物成像能力的荧光探针。本项目的研究内容包括三大部分：首先是设计构建新型荧光探针，即将FRET供体与受体分子和DNA纳米结构有机结合，通过定向组装构建出新型的功能化DNA纳米结构；其次，将具有选择性识别目标物（包括微管蛋白、肌动蛋白、网格蛋白等）功能的单元定向连接在该DNA荧光纳米结构表面，从而达到对目标物的选择性成像，最终实现细胞内多种微细结构的低背景高分辨率FRET成像。该项目的一系列研究能为DNA纳米结构的功能化应用打下基础，同时也能为其它基于DNA纳米结构的荧光及放射性分子探针的构建提供借鉴。

本课题拟设计构建新型的具有荧光共振能量转移（FRET）效应的功能化DNA纳米结构，为发展通用型的、具有多模式、多尺度生物成像与探测能力的探针提供条件。项目执行期间进展顺利，全面完成了设定的年度研究计划和预期研究目标。我们通过结合使用DNA FRET标记纳米探针与抗体，实现了细胞内微管与网格蛋白的高分辨率FRET成像观察。我们发现FRET效应不仅可以用来检测蛋白分子的相互作用，亦能在荧光成像中起到降低背景荧光，提高信噪比的作用，并且高FRET效率能实现超分辨显微成像。在此基础上，我们发展出一系列基于DNA纳米结构的新型荧光探针，实现了细胞内多色多目标物的低背景高分辨率成像观察和动态示踪。该项目的一系列研究结果为DNA纳米结构的功能化应用打下了基础，同时也为其它基于DNA纳米结构的荧光及放射性分子探针的构建提供了借鉴。在此基础上，共发表受本项目资助的SCI论文12篇，包括Nat. Commun. 1篇，Angew. Chem. Int. Ed. 1篇；申请美国专利1项。