超顺磁纳米结构耦合熵驱动DNA电路构建简洁稳健光电化学生物传感

MicroRNA (miRNA) 异常表达水平可以作为癌症的诊断指标。由于它具有丰度低、尺寸小、序列相似性高等特点，使得miRNA的高性能检测仍然是一项艰巨任务。为了实现miRNA高性能检测，通过DNA分子机器信号放大技术结合超顺磁纳米材料高效分离、富集且便于快速组装等特点，近日，盐城工学院李红波教授课题组构建了一种新颖的miRNA-122光电生物传感器，相关论文发表在国际分析化学权威TOP杂志Analytical Chemistry 上。

早期的miRNA检测方法有RNA印迹法、逆转录PCR法、微阵列法等。尽管这些方法具有一定的灵敏度，但也存在一些缺陷，如成本高、操作复杂等。为实现生物分子的高灵敏检测，催化发夹自组装 (CHA) 和杂交链式反应 (HCR) 等生物信号扩增技术也被集成至多种信号表达的传感器中。鉴于CHA和HCR信号放大是通过DNA碱基对形成时释放的自由能驱动，且需要消耗大量DNA发夹结构，这些导致反应体系对环境条件相对敏感，且容易发生非特异性结合。此外，发夹型DNA链的打开过程是一个可逆的过程，从而限制了其在复杂生物系统中的应用。为了克服这些缺陷，近年来，熵驱动信号扩增体系激起了科学家们浓厚的研究兴趣。其采用多链复合结构而不是DNA发夹结构，确保碱基对数在放大过程中保持不变，这种熵驱动策略有助于降低信号放大体系每个步骤的可逆性。其独特的熵增机制，不仅提高了反应效率，也提高了传感器的检测灵敏度。与上述发夹型DNA基信号扩增策略相比，熵驱动DNA电路还具有较强的热稳定性和较强的特异性识别能力。此外，它还可以根据特定靶标灵活设计。

图 1. 基于超顺磁纳米结构耦合熵驱动DNA电路的光电化学生物传感器示意图。图片来源：Anal. Chem.

作为一种背景噪音低、高灵敏的检测手段，光电化学检测技术得到了分析科学家们广泛关注。在本工作中，基于熵驱动DNA电路和信号表达的分离，李红波教授课题组开发了一种简洁而稳健的miRNA-122光电化学传感器。低丰度miRNA-122可以有效地触发熵增驱动的DNA分子机器工作体系，通过超顺磁Fe₃O₄@SiO₂-probe DNA可以识别和快捷提取大量输出的output DNAs。由此产生的Fe₃O₄@SiO₂-probe DNA-output DNA复合物基于Watson-Crick碱基配对规则进一步捕捉CdTe-signal DNA。只有在miRNA-122存在的情况下，释放的output DNAs才能起到桥梁作用，促进Fe₃O₄@SiO₂-probe DNA-output DNA-signal DNA-CdTe复合物的形成。该复合物可以通过外部磁力提取，导致瓶中CdTe-signal DNAs成比例减少，进而降低光电流。生物功能化Fe₃O₄@SiO₂粒子磁分离可实现一步电极组装程序，从而构建一个简洁、稳健分子识别与检测相分离的分裂模式光电化学生物传感器。该传感器可用于复杂生物样品中miRNA-122的高性能检测。

图2. (A) Fe₃O₄、(B) Fe₃O₄@SiO₂和(C) CdTe 粒子的 HRTEM 图像。(D) (a) Fe₃O₄、(b) Fe₃O₄@SiO₂和(c) CdTe粒子X射线衍射光谱。图片来源：Anal. Chem.

图3. 熵驱动DNA电路的电泳表征。图片来源：Anal. Chem.

图4. miRNA-122光电化学传感器的定量分析、稳定性和抗干扰性测试。图片来源：Anal. Chem.

在本工作中，作者基于超顺磁纳米结构耦合熵驱动DNA电路构建了一种简洁、稳健、分裂模式的光电化学生物传感器。该设计使得传感器具有优异的选择性和灵敏度，且电极制备效率高、具有灵活性和简单性等优势。此外，该传感器的设计中除了采用了尺寸均一、单分散的功能纳米材料外，这种简洁的策略还避免了传统电极的层层组装修饰步骤和多次电极冲洗步骤，使得该光电化学生物传感器具有优异的稳定性和可重复性。此外，独特的熵驱动信号放大策略和绝缘体Fe₃O₄@SiO₂与光电流信号读取的蓄意分离使得miRNA-122光电化学生物传感器更加灵敏。这种精心设计的分裂模式光电化学生物传感器将为各种miRNAs的检测提供新视角。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，该工作实验内容由研究生翁瑄同学完成，李静老师共同指导该研究生完成了本工作。

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Superparamagnetic Nanostructures Coupled with an Entropy-Driven DNA Circuit for Elegant and Robust Photoelectrochemical Biosensing

Jing Li, Xuan Weng, Fan Mo, Min Han, Hongbo Li*

Anal. Chem., 2020, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c03580