Angew：快速热干燥合成高稳定性的非硫醇化球形核酸

在纳米科学与生物学研究的前沿，球形核酸（Spherical Nucleic Acids, SNAs）因其在基因治疗、生物传感和药物递送等领域的独特优势，已成为科研领域的关注重点。然而，传统的SNAs制备往往依赖于硫醇化DNA与金纳米颗粒（AuNPs）之间的共价键合，而DNA的硫醇化修饰较为复杂，制备成本高。已有研究表明，价格便宜的非硫醇化DNA可通过其核酸碱基与金形成强配位键而与金表面进行相互作用，但传统的非硫醇盐老化法需要经历长时间的盐老化处理，这些都极大地限制了SNAs的广泛应用。

近期，滑铁卢大学的刘珏文教授（点击查看介绍）与中国农业大学的黄昆仑教授（点击查看介绍）、程楠副教授（点击查看介绍）团队合作，提出了一种简化的SNAs快速制备策略：非硫醇化DNA热干燥法。该方法无需硫醇化修饰，通过简单的热干燥步骤，即可快速、高效地合成具有高稳定性的非硫醇化SNAs。

图1. 热干燥法制备非硫醇化球形核酸的原理及与盐老化法DNA附着机制的对比。

与金硫键相比，非硫醇DNA的腺嘌呤与金的键强度较低，为了提高吸附稳定性，经典的盐老化策略依赖于较长的聚腺嘌呤（poly-A）嵌段完全吸附来实现多价结合。虽然这种策略可能会增加吸附稳定性，但它会降低DNA的密度，从而可能损害其胶体稳定性。该研究报道的热干燥法制备非硫醇化SNAs的原理如图1，利用高温条件下竞争性腺嘌呤与金纳米颗粒的吸附相互作用，最终实现非硫醇DNA定向附着。与盐老化法相比，该方法的DNA密度要更高，这种差异凸显了DNA吸附方式不同，作者推断热干燥后DNA仅通过末端腺嘌呤碱基吸附。更密集的DNA壳可能会在动力学上阻止竞争配体进入，因此这种方法可增加非硫醇SNAs的整体键合和胶体稳定性。

图2. 非硫醇化球形核酸的稳定性研究：(a) 抗盐聚集的保护稳定性，(b, c) 测试作为侧流层析传感探针，在不同浓度血清基质中的适用稳定性，(d, e, f) 在不同基质溶液中DNA解吸附动力学测试对比。

尽管采用非硫醇化DNA，这种方法制备出的SNAs依然表现出卓越的稳定性（图2）。实验表明，制备的SNAs在1 M NaCl溶液中能够保持良好的胶体稳定性；在高达50%浓度的血清基质中，SNAs探针在侧流层析传感器中仍能正常工作。其次，通过一系列解吸附动力学的对比测试发现，在30分钟内，1 M浓度的NaCl中的DNA解吸附率为2.2%，10 mM谷胱甘肽（GSH）溶液中的解吸附率为1.6%，整体稳定性与盐老化法制备的硫醇化SNAs相当。非硫醇DNA短时间未被GSH取代是由于高密度DNA构成了一定的空间障碍。此外，当使用100 μM氰化钾（KCN）测试时，5分钟内约有10%的非硫醇化DNA发生解吸附，相比之下硫醇化DNA的解吸附率约为5%，这是由于CN^-是一种较小的配体，它可以更容易地穿透DNA保护层。这些结果表明非硫醇化DNA层能够有效抵御外界大分子的攻击，展现出与传统硫醇化SNAs相媲美的稳定性。

总之，这种热干燥法不仅显著缩短了SNAs的制备时间，还大幅降低了制备成本，其高稳定性的特点为非硫醇化SNAs的广泛应用奠定了坚实基础。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 杂志上。

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Rapid Thermal Drying Synthesis of Nonthiolated Spherical Nucleic Acids with Stability Rivaling Thiolated DNA

Xin Wang, Zhansen Yang, Zihe Li, Kunlun Huang, Nan Cheng and Juewen Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202410353

作者简介

刘珏文教授，加拿大滑铁卢大学化学系教授，博士生导师。2000年获得中国科学技术大学化学学士学位，2005年获美国伊利诺伊大学（UIUC）化学系博士学位，2009年加入滑铁卢大学，任化学系教授。主要从事核酸对纳米材料的功能化修饰和核酸适配体生物传感器在医疗诊断、环境监测、食品安全等领域的应用研究，发表期刊研究论文400余篇，包括Acc. Chem. Res., Chem. Rev., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等，引用数超过40000余次，h-index高达105，2022, 2023年入选科睿唯安（Clarivate）“高被引科学家”。因在生物分析化学方面的突出贡献，曾获加拿大化学会Fred Beamish奖（2014）和McBryde Medal奖（2018）等多项奖励。现担任Biosensors & Bioelectronics杂志编委和Trends in Analytical Chemistry（TrAC）特约编辑。

https://www.x-mol.com/university/faculty/75566 

黄昆仑教授，中国农业大学食品科学与营养工程学院教授，博士生导师。农业农村部农产品质量检验测试中心（北京）常务副主任；农业农村部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室（北京）主任；农业农村部农业转基因生物安全评价(食用)重点实验室主任。长期从事食品安全风险评估技术与检测技术、转基因生物分子检测技术和转基因产品食用安全评价、食品分子营养学以及食品功能成分开发相关研究。共主持国家和省部级项目30余项，发表论文200余篇，主持编写教材和专著6部，其中英文1部；获得发明专利14项；获得教育部新世纪优秀人才支持计划（2008），获得国家及省部级奖励4项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/72283 

程楠副教授，中国农业大学食品科学与营养工程学院副教授，博士生导师。入选爱思唯尔全球前2%科学家榜单（World's Top 2% Scientists, Elsevier, 2022）、全国博士后创新人才支持计划项目、北京市青年托举工程项目、北京市优秀青年人才。长期从事于食品科学中的纳米技术、智能生物传感技术相关研究，主持国家自然科学基金项目、国家“十四五”国家重点研发子课题及科技创新2030子课题等。相应研究成果获得授权国家发明专利20余项，在国内外期刊发表论文70余篇，收录于Trends in Food Science & Technology、Chemical Engineering Journal、Small、Nano Research等，近5年累计被引用2400余次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/375394