基于单分子荧光光谱与核酸探针的均相生物传感新方法与技术研究

生物分子的识别和定量是生命科学、医学等领域得以迅速发展的重要基础。传统的分析工具和方法由于在灵敏度、特异性、简便性等方面存在不足，因此难以满足日益发展的生物分子高灵敏检测的需求。本项目拟提出并发展一种通过解析分子间相互作用来对生物分子进行定量的生物传感技术与方法。基于核酸适体探针与靶蛋白的特异性结合，并通过研究分子反应动力学参数与分子组装行为，发展基于三明治模型、协同杂交原理的均相蛋白传感策略；设计高特异性的亚稳态DNA发夹探针，发展恒温、扩增的检测MicroRNA及其高度同源性序列的方法；最终以荧光相关光谱为研究手段，通过表征生物体系下单分子检测的荧光特性，优化荧光相关光谱参数以及研究分子扩散行为，获取扩散时间、共聚焦检测体积、分子浓度等信息，最终实现精确的分子定量。本研究的成功可解决传统生物传感方法费力耗时以及灵敏度低的关键性科学问题，为生命科学和医学发展提供新的、可靠的技术方案。

长久以来研究人员一直寻求构建灵敏且特异的核酸和蛋白检测方法，随着PCR技术的发明，核酸检测发生了革命性变化。近年来，一系列的扩增技术已经被报道，但在靶分子扩增过程中仍存在许多问题，如需要变温反应、昂贵的仪器、专业的人员和复杂的操作，这些都限制了这些技术应用的宽度和广度，因此很难应用到现场检测或者疾病居家检测。本课题针对这些科学问题，发展高灵敏的光学探针及检测平台(Nature Protocols, 2014); 构建了基于金纳米粒子载体的光学信号扩增探针，同时发展了单分子水平的均相检测体系，实现了在均相环境下快速、灵敏和准确的检测生物功能分子，如凝血酶 (Analytical Chemistry, 2012)、DNA (ACS Applied Materials＆Interfaces, 2014)和microRNA (Chemistry – A European Journal, 2013)。由于上述方法仍然需要酶的参与，且酶分子易于失活以及需要特定的反应条件等问题，我们在前期基础上，进一步开发了目标链触发的非酶检测系统并结合电化学发光技术，实现了microRNA的高灵敏度检测。此平台灵敏度达到10 fmol，并检测了临床癌组织样品，该方法有希望为癌症早期诊断提供数据支持(Analytical Chemistry, 2014)。另外, 为了更简便的呈现实验结果，我们开发了纸基检测平台和纳米金比色平台，通过在试纸条上呈现检测信号或者通过裸眼观察颜色变化，来判断是否存在靶生物分子及浓度信息(Biosensors and Bioelectronics, 2014; ACS Applied Materials＆Interfaces, 2014; Sensors & Actuators B: Chemical, 2013; Methods, 2013)。这两种技术使核酸和蛋白的检测变得简单而高效，并且灵敏度显著高于传统凝胶电泳。这些生物分析新方法为高灵敏度、高特异性的现场检测开辟了新的途径。该项目发表SCI论文13篇（IF>5的SCI论文共10篇），获授权专利2篇，培养研究生11名。