Nano Lett.┃DNA计时钟：全新的多重检测方法

英文原题：DNA-Templated Timer Probes for Multiplexed Sensing

通讯作者：苏昕，北京化工大学；Alexander Johnson-Buck , 密歇根大学

作者：Yingnan Deng, Liang Ma, Qianqian Han, Changyuan Yu, Alexander Johnson-Buck, and Xin Su

DNA多重检测主要依赖多种颜色的荧光分子标记。但是，按颜色划分的荧光信号类型非常有限，且同时分析多种荧光基团会产生由于光谱之间相互串扰而导致特异性差等问题。受生物体内具有的复杂生物钟模式的启发，北京化工大学苏昕和密西根大学Alexander Johnson-Buck等研究者利用DNA聚合酶（DNAP）合作开发了一种以DNA为模板的探针，以时间标签来实现多重性。这些探针利用等温DNAP介导的延伸信号的延迟时间来区分作为聚合引物的相应靶标，利用DNAP对核苷酸的持续装载能力及其动力学的可控性，作者发现可以使用单一荧光基团在均质溶液中实现多重细菌DNA检测。

图1. DNAP介导的时钟探针的设计原理与信号响应

作者设计了基于时间的多重核酸检测系统，其中使用称为“聚合跑道”的聚合酶底物的长度来控制信号的传递时间。通过DNAP底物长度依赖的时间延迟，可以使其在精确的时间下得到荧光信号的爆发。此荧光信号的爆发时间可通过可编程的方式进行调节。待检测的靶标物质作为等温DNAP的引物，通过聚合过程发生链置换反应从而产生荧光信号的上升。无论利用原始数据形成的伽马分布的累计分布函数（CDF）还是通过利用产生荧光信号对延迟时间求导建模形成的伽马分布的概率密度函数（PDF）均会产生形状参数k和比例参数θ，这些参数均是DNAP介导的该反应聚合动力学和模板长度的函数（图1）。随后，作者通过优化聚合酶种类、浓度、温度、dNTP及一价阳离子浓度优化了两个靶标检测的分辨率，并且引入色谱分析中常用的分辨率参数（R）呈现优化结果。在此基础上，作者利用单一荧光在均相溶液中实现了多重细菌基因组DNA的同时检测（图2）。由于任何仪器的荧光检测阈值范围有限，若同时多个DNA计时钟探针的连续荧光恢复的信号积累最终可能会限制多重靶标的检测程度。因此，希望在单次信号产生后便立即消除其荧光信号。作者使用引入接收链及氧化石墨烯材料两种方法使得荧光信号得以达到单次振荡的效果，实现类似色谱峰一样的荧光-时间信号（图3）。这一方法将在多重检测与成像、DNA纳米技术等领域有广泛应用。

图2. 细菌基因DNA的多重检测

图3. 具有震荡信号的DNA时钟探针

这一成果近期发表在Nano Letters 上，北京化工大学博士研究生邓莹楠为文章第一作者，北京化工大学苏昕和密西根大学Alexander Johnson-Buck为共同通讯作者。

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DNA-Templated Timer Probes for Multiplexed Sensing

Yingnan Deng, Liang Ma, Qianqian Han, Changyuan Yu, Alexander Johnson-Buck*, Xin Su*

Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00313

Publication Date: March 2, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

苏昕简介

苏昕，北京化工大学生命科学与技术学院，副教授，北京化工大学青年百人计划入选者。2010年于南开大学获得学士学位，2015年于北京大学获得博士学位，2013-2015年在美国密西根大学做访问学生。2015年加入北京化工大学，从事分析化学-分子影像-纳米技术-生物医学交叉研究，主要研究方向包括：单分子荧光技术，核酸纳米探针开发与应用，快速临场检测，超分辨原位成像，智能药物递送等。目前主持国家自然科学基金（2项），国家重点研发计划子课题、军民融合项目，北京市优秀人才项目，厦门市科技计划项目，中央高校科技项目等。在Nature Biotechnology、Nano Letters、Chemical Science（2篇）、Nanoscale、Analytical Chemistry（7篇）、Biosensors & Bioelectronics（3篇）上发表论文20余篇，H-index 13（谷歌学术）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/66112

（本稿件来自ACS Publications）