基于DNA折纸组装等离子体纳米探针的单细胞成像分析

Obtaining real-time dynamic information of bioactive molecules in the cellular environment is highly crucial for understanding cell behaviors and functions and elucidating the mechanism of physiological processes.Plasmonic nanostructures have been widely used in the fields of biological analysis and single particle imaging of cells due to their unique optical properties. Current plasmonic nanoprobe-based cell optical sensing strategies focus on the interaction between probe and target biomolecule. Where their selectivity and sensitivity are limited by the recognition specificity and optical change after recognition. In this project, the applicant makes full advantages of DNA molecules in specific identification and precise assembly. By employing DNA molecules as a structural basis and functional carrier and integrating plasmonic nanomaterials with unique optical properties, the applicant constructs highly sensitive and multifunctional DNA origami-plasmonic nanoprobes. Moreover, the applicant constructs a multi-modal single-nanoparticle imaging technology and proposes a sensing mechanism based on single-molecule specific recognition induced plasmon-coupled optical signals. Based on the ultra-sensitive nanoprobes and imaging platform, the applicant aims to propose new strategies for real-time and dynamic monitoring of intracellular biomolecules.

获取细胞环境下生物活性分子的实时动态信息对理解细胞行为和功能、阐明生理过程的机理具有重要的意义。表面等离子体共振金属纳米结构凭借独特光学性质，在生物分析和细胞单颗粒成像领域获得广泛的应用。基于等离子体纳米探针的细胞光学传感策略利用探针与目标生物分子相互作用产生信号并对其进行分析，其抗干扰能力以及响应灵敏度分别受到探针对目标分子特异性识别能力和识别前后探针光学性质差异大小的限制。本项目借助DNA折纸技术，充分发挥DNA分子在特异性识别、精确组装方面的优异性能，利用DNA作为结构基础和功能载体，整合具有独特光学性质的等离子体纳米材料，构筑DNA折纸-等离子体纳米探针。并提出基于单分子特异性识别引发等离子体耦合光学信号变化的传感机制，构建一种多视场单颗粒显微成像技术，凭借DNA折纸术介导精确组装高灵敏多功能纳米探针，实现多模态的单细胞高灵敏传感，实现对细胞生理过程的高灵敏实时成像。

获取细胞环境下生物活性分子的实时动态信息对理解细胞行为和功能、阐明生理过程的机理具有重要的意义。表面等离子体共振金属纳米结构凭借独特光学性质，在生物分析和细胞单颗粒成像领域获得广泛的应用。基于等离子体纳米探针的细胞光学传感策略利用探针与目标生物分子相互作用产生信号并对其进行分析，其抗干扰能及响应灵敏度分别受到探针对目标分子特异性识别能力和识别前后探针光学性质差异大小的限制。本项目严格按照既定的研究计划执行，完成所指定的研究目标。首先本项目搭建了共轴双物镜激光暗场显微镜，利用表面等离子体共振耦合散射增强暗场显微成像技术，可以实现毫秒级别颗粒三维空间精准定位。借助DNA折纸技术精确设计组装三维纳米结构，实现纳米探针运动情况的精确追踪。同时本项目利用表面等离子体共振产生近场电磁场增强作用，增益吸附在金属纳米材料表面的有机分子的拉曼散射信号，并且构建了时空分辨拉曼高光谱算法，实现快速的单分子级别拉曼光谱成像。此外，本项目基于自主研制的全内反射暗场显微镜，利用细胞外膜中细胞色素复合物氧化还原状态产生独特的结构色散射，构建无标记结构色显微光谱分析方法，可以实现对生物电化学过程中单个微生物细胞中的电子转移的定量、非侵入分析。本项目目前共发表SCI论文4篇。经费使用方面，本项目严格遵照国家法律法规和南京大学经费管理规定，专款专用，符合预算书的规定。