湖南大学J. Am. Chem. Soc.：三维DNA分子机器用于癌细胞表面运算识别

相比于传统医学，从分子层面上识别并处理从癌细胞所获得的信号，在癌症的诊疗领域具有十分重要的意义。分子机器自获得2016年诺贝尔化学奖以来备受瞩目，设计和开发成本低廉、实用的分子机器满足市场需求具有重要的研究价值。近日，湖南大学的谭蔚泓（点击查看介绍）和宦双燕（点击查看介绍）团队设计并构建了一种基于核酸适体和DNA三棱柱（TP）的三维纳米逻辑机器。这种分子机器简单易合成，可在癌细胞膜表面实现布尔逻辑运算，展现出精准诊疗的潜力。相比于传统的游离于溶液中的线性双链DNA计算系统，这种三维DNA纳米机器集成了所有的逻辑运算单元，当特定细胞类型出现时，运算产生特异的响应信号，大大提升了细胞识别的准确性。这种分子集成设计策略具有广阔的潜力。

细胞表面存在成千上万种成分，在细胞交流、成长、增值和死亡中扮演重要角色，这些细胞表面表达量不同的物质犹如每个人的脸部特征，识别不同的细胞表面也犹如“识人”。其中，某些过度表达的物质是疾病诊疗的重要依据，如何利用这些过度表达的物质构建一种分子机器来造福人类健康，长期以来都是世界范围内的研究重点与热点。近年来，基于分子识别的DNA分子机器领域取得迅猛发展，为癌症的精准诊疗提供了新的分子设计策略与手段。通过集成各分子元器件的纳米机器来识别这些生物标志物，然后运算产生特异的响应信号，可实现癌细胞的精准识别，在人工分子器件和生物医药领域具有巨大的潜力。

湖南大学的研究团队报道了一种三维DNA纳米逻辑机器人，该机器集成了多个aptamer功能触角，成功实现了在癌细胞表面的运算识别。通过细胞筛选得到的aptamer是一类特异性识别靶细胞的核酸分子，在该研究中设计成可识别癌细胞表面受体的分子触角。他们以一种最简易的DNA三维纳米结构作为骨架，成功地将两种识别触角和一个运算触角安装到一个骨架上。这个三维骨架为三棱柱结构，仅需要三条DNA链构成，大大降低了分子机器的制造成本，使分子机器从设计到构建变得简单、易得、成本低廉。当aptamer识别其细胞表面的靶标时，aptamer与靶标及其互补链发生竞争反应，释放出互补链。只有某种细胞存在两种特异靶标时，才会释放出两条互补链，这两条链继而再参与运算触角上的DNA链置换反应，最后使淬灭的荧光信号恢复，显示出识别信号。这种纳米级机器实现了靶细胞表面的逻辑运算识别，展现出精准诊疗的潜力。相比于传统的游离于溶液中的线性双链DNA计算系统，这种三维DNA纳米机器采用集成化的设计思路：把双识别的触角和一个“与”门逻辑集成在三棱柱骨架上。当机器启动时，分子间的临近反应会运算产生特异的响应信号，大大提升了细胞识别的准确性，该研究工作有望在人工分子器件和生物医药领域存在应用。

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是湖南大学的博士研究生彭瑞资和郑小芳。

该论文作者为：Ruizi Peng, Xiaofang Zheng, Yifan Lyu, Liujun Xu, Xiaobing Zhang, Guoliang Ke, Qiaoling Liu, Changjun You, Shuangyan Huan, Weihong Tan

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）：

Engineering a 3D DNA-Logic Gate Nanomachine for Bispecific Recognition and Computing on Target Cell Surfaces

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 9793, DOI: 10. 1021/jacs.8b04319

导师介绍

谭蔚泓

http://www.x-mol.com/university/faculty/10092

宦双燕

http://www.x-mol.com/university/faculty/10151