改良型DNA纳米探针提升电化学核酸传感器的分析效果

电化学核酸传感器具有快速、灵敏、抗干扰能力强以及易于集成化等优点，因而在核酸分析领域得到了广泛的应用。然而，由于识别分子在电极界面的非均一性组装及空间位阻效应的客观存在，传统的电化学核酸传感器识别效率往往较低。利用DNA纳米结构作为分子识别探针被认为是一种有效降低分子结合能壁垒的方法。例如，刚性的DNA四面体结构可以均匀地形成自组装单层，增加探针间的距离及探针与电极表面的距离，显著提高DNA杂交的效率与速度。但是，现有的基于DNA纳米结构的电化学核酸传感器都沿用了经典的“三明治”结构来获取电信号，不仅依赖于价格较为昂贵的蛋白酶，而且需要多步孵育与洗脱，极大地降低了分析的简便性。

最近，南京大学的李根喜教授（点击查看介绍）、项阳教授（点击查看介绍）与南京医科大学的束永前教授（点击查看介绍）合作提出了一种基于DNA纳米结构的电化学传感器（DNA nanostructure-based electrochemical sensor，E-nanoDNA），通过在DNA四面体结构（tetrahedral DNA nanostructures，TDNs）延伸出两条悬垂链（图1a和b），他们设计了一种全新的界面探针，在靶核酸分子存在的情况下，通过与两条悬垂链的相互作用，可以将标记有电信号分子的a链拉近至电极表面，实现电信号的增益。该探针不仅可以提高靶分子的捕捉效率，提高检测灵敏度，而且实现了核酸分子的一步检测，提升了分析效率，较好地弥补了传统电化学核酸传感器的缺陷。

基于改进的DNA四面体结构，他们还系统地研究了电信号分子在电极表面的电子传递过程，并对传感体系中的检测条件进行了优化。结果表明，该传感器可以在10分钟内完成全血中皮摩尔浓度DNA片段的检测（图2）。同时，由于不依赖酶介导信号的产生，且DNA纳米结构自身稳定性非常强，该传感器可以实时分析流动的复杂样本，并且没有明显的信号基线漂移，表现出在活体动物分析中的应用潜能。此外，使用适体或其他DNA元件取代功能链时，这种E-nanoDNA传感器可以检测其他生物分子，从而进一步拓展其应用范围。

图1. E-nanoDNA传感器的构建：固定标记有亚甲蓝修饰的四面体DNA纳米结构至电极界面，四面体含有两条功能链（黑色a和灰色b），在电极表面经历靶标结合-诱导的构象变化。这种构象变化将亚甲蓝置于电极表面，产生电流变化。

图2. E-nanoDNA传感器在DNA检测中的应用。（A）E-nanoDNA传感器检测靶标的浓度范围；（B）比较E-nanoDNA传感器与使用对照链（随机链、单碱基错配链和无错配探针）构建传感器的电化学信号大小；（C）比较E-nanoDNA传感器（黑色）和传统基于MCH的电化学传感器（红色）在流动全血中的电流漂移情况；（D）在全血样品中，不同时间点添加靶标DNA后的电化学信号变化。

该传感器的优势主要包括：它可以更加有效率地捕获分析物，抑制背景电流，表现出更好的分析性能；相比于线性DNA探针，DNA纳米结构更加稳定，在复杂样本中对核酸酶不敏感，提升了传感器的可重复性；整个检测过程只需一步孵育，不需要额外试剂和洗涤步骤，大大降低了操作难度。这一成果近期发表在Chemical Science 上，文章的第一作者是博士研究生李超（现于南京大学从事博士后研究），研究工作得到了国家自然科学基金重点项目的支持。

该论文作者为：Chao Li, Xiaolu Hu, Jianyang Lu, Xiaoxia Mao, Yang Xiang, Yongqian Shu and Genxi Li

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Design of DNA nanostructure-based interfacial probes for the electrochemical detection of nucleic acids directly in whole blood

Chem. Sci., 2018, 9, 979, DOI: 10.1039/C7SC04663D

导师介绍

李根喜

http://www.x-mol.com/university/faculty/48460

项阳

http://www.x-mol.com/university/faculty/49557

束永前

http://www.x-mol.com/university/faculty/49558