基于表面浸润性转变的分子诊断方法

Recently, the detection systems targeting disease-related molecules have been applied extensively, particularly in the molecular diagnostics, epidemiological investigation, supervision and control of many diseases. A new protocol, which depends on surface wetting property transitions, has been demonstrated by the proposal principal investigator’s lab. Without labelled molecules, this system was comprised of liquid and solid phases. It would be ideal to translate proteins and RNAs targets into DNA signals with biological methods, and these methods assure that changes from protein and RNA to DNA were highly correlated. The amplification of DNA enables change of surface hydrophobicity and hydrophilicity, and with the assistance of water condesation, we can easily differentiate the target zone and control zone with the naked eye by placing the matrix on ice. In comparison with traditional methods for DNA, RNA, and protein detection, the strategy proposed by the proposal principal investigator possesses many advantages, such as being highly sensitive and selective, fast and handy, free of complex instruments, ability to perform multiplex detection, suitability for integration and modularization. The proposal principal investigator intends to use the detection mode to explore its general application in molecular diagnostics, thoroughly investigate the mechanism, and develop diagnostic methods for other biomolecules (RNA, protein, and other small molecules).

目前，人们已将针对已知靶标分子的检测体系应用于分子诊断、流行病学调查、疾病监测与控制等诸多方面。申请人提出一种基于表面浸润性转变的靶标分子检测新思路。该检测体系涉及固液两相，无需标记分子。申请人希望借助一定的生物学原理将各种非DNA靶标信号（蛋白、RNA）转变成DNA信号，以DNA信号出现与否判断靶标存在与否。该方法经针对DNA的信号放大会造成检测体系亲疏水性明显差异，并最终借助水蒸气在固相（基片上）冷凝后形成的肉眼易于分辨的可视信号达到检测目的。与传统溶液中针对靶标分子的检测方法相比，该方法具有灵敏度高、选择性好、检测迅速快捷、无需大型复杂仪器、支持多重检测、适于集成化、模块化检测等优点。申请人实验室已经利用该构想成功实现了对DNA的检测。申请人实验室希望利用该检测模式进行分子诊断方法的探索，并深入地进行机理研究，同时拓展适用于其他生物分子（RNA，蛋白质及其它小分子）的检测方法。

本项目的总体目标是发展基于表面浸润性转变的分子诊断方法。分子诊断是化学、生物学和医学创新研究中的一个重要驱动力。分子诊断可以在溶液里或基板上进行，溶液法操作简便，但输出信号类型有限；基板法输出信号多样、可以进行大规模平行筛选，但通常需要复杂的标记分子和检测手段。表面浸润性转变通过水蒸气冷凝实现肉眼可见的信号输出，直接读出靶标分子。为实现表面浸润性转变这一目标，本项目在驱动浸润性转变分子砌块的构建和分子识别单元的合成方面开展了创新性工作：制备出大直径的DNA纳米管，并通过对DNA结构重复单元的刚性和扭转密度的调节，实现了对纳米管直径和手性的控制，为纳米材料构建、手性骨架构建奠定了良好的基础；利用金属离子（Hg2+和Ag+）促进DNA链的扩增和富集，发展了具有普适性的核酸信号放大平台；通过生物方法和化学方法获得序列定义的多肽-寡聚乳酸缀合大分子，为精确控制分子诊断过程提供了结构单一的分子元件；开展了无细胞蛋白合成体系的研究，成功表达了该体系所需要的32种蛋白，有望将氨基酸部分或全部替换为氨基酸类似物或者其他基元，可以通过精确的DNA序列实现序列定义、长度可控的大分子的合成，该系统的开发改造不仅可以指导复杂蛋白、毒性蛋白的体外合成，还有望在可控大分子领域发挥作用；通过研究脂肪酸合成酶的作用机理，对其部分结构域突变，以期实现更长链的脂肪酸的合成，通过脂肪酸合成酶的体外表达和改造，可以进一步了解该酶的结构性能，同时为复合酶改造生成聚乙烯提供思路；通过对酰基转移酶进行异源表达、分子改造，以期获得具备更高酰基转移酶/水解酶活性比的突变体，拓宽其作为生物催化剂的应用范围；为获得具有分子识别性质的结构单元，开展了基于碳-氢键活化的含杂原子结构合成研究，利用铑、钴配合物等催化剂，发展了苯并三嗪、异吲哚、异喹啉、水杨醛、萘酚等结构的合成方法。