树状大分子的物理化学性质调控用于优化聚合酶链式反应的作用机制研究

Traditional methods used to improve the specificity and efficiency of PCR have been limited. Using nanomaterials to improve PCR’s specificity and efficiency has been raising great attention. In this project, the fifth generation poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimers will be used as templates to entrap gold nanoparticles. Through dendrimer surface chemical reactions, the surface amine groups of dendrimers and dendrimer-entrapped gold nanoparticles(Au DENPs) will be acetylated or hydroxylated to control the surface charge, and modified by polyethylene glycol(PEG) to resist protein adsorption. Three test systems including a non-specific amplification system, a GC-rich DNA amplification system and a long-fragment amplification system will be employed in this study. Through the control of dendrimers’ physical and chemical properties, the influence of rigidity, surface charge, anti-adhesion properties of the nanomaterials on the improvement of PCR will be explored, and the law of surface interactions between dendrimers and the PCR components will be determined, which make it possible to reveal the PCR optimization mechanism systematically. In addition, we also attempt to use the modified dendrimers or Au DENPs to optimize the method of single nucleotide polymorphism(SNP) and haplotype analysis. The project will provide the experimental basis for design of novel nano PCR enhancers and broaden the application of nano-PCR in clinical test and diagnosis.

传统提高聚合酶链式反应（PCR）特异性及效率的方法存在一定的局限性，因此利用纳米材料作为PCR 优化剂的方法引起了研究者的极大关注。本项目拟采用第五代聚酰胺-胺型树状大分子（PAMAM）及包裹纳米金颗粒的复合材料（Au DENPs）为优化材料，通过对表面氨基的乙酰化、羟基化、聚乙二醇（PEG）修饰实现对材料物理化学性质的调控。以非特异扩增体系、高GC含量扩增体系和长片段扩增体系为模型，考察了材料的硬度、表面电荷、抗粘附性能对PCR 优化效果的影响，研究了功能化的树状大分子与PCR 组分相互作用的规律，从而系统全面地探讨树状大分子纳米材料优化 PCR 的分子机制。我们期望筛选出具有普适性的PCR优化剂，并尝试将其用于单核苷酸多态性(SNP)以及单倍型（haplotype）分析。本研究的成果为新型纳米PCR 优化剂的设计及纳米PCR 技术在临床检测和诊断中的应用提供理论依据和实验基础。

传统提高聚合酶链式反应（PCR）技术扩增特异性及效率的方法有较多局限性，利用纳米材料作为PCR 优化剂的方法，引起了研究者的极大关注。本项目构建了两种聚合物包裹的纳米金颗粒（第五代树状大分子包裹的纳米金颗粒和PEI包裹的纳米金颗粒），并对其表面进行乙酰化、羟基化、PEG 修饰，以非特异扩增体系和高GC含量扩增体系为优化筛选平台，考察材料的形貌尺寸、表面电荷、抗粘附性能对PCR 优化效果的影响。结果表明：所有的PEG−Au PENPs都可以提高PCR反应的效率和特异性。值得指出的是，在不同的PCR体系中，纳米材料展示出不同的优化机理。在二轮易错PCR体系中，材料的优化作用可能是由于其表面电荷介导的静电作用所导致的；而在高GC含量PCR体系中，材料良好的热传递性质可能是优化PCR反应的主要原因。另外，本项目还以聚酰胺-胺树状大分子包裹纳米金颗粒作为新型的基因转染载体，在其表面修饰聚乙二醇和叶酸，提高了材料本身的生物相容性并赋予了材料靶向转染的能力。结果显示该纳米载体具有低细胞毒性、低免疫原性和高的靶向基因转染效率。本研究的成果为新型纳米PCR 优化剂的设计及纳米材料在更广泛的生物医学领域的应用提供理论依据和实验基础。