美科学家开发出自组装DNA纳米结构基因检测平台

 

美国亚利桑那州立大学生物设计研究所的科学家，开发出了世界上第一种完全由自组装DNA纳米结构制成的基因检测平台。该成果发表在了1月11日出版的《科学》（Science）杂志上，它可能对基因芯片技术有着广泛的影响，而且还可能革新在单个细胞内分析基因表达的方式。

 

“我们从生物学中最著名的结构开始研究，也就是DNA，然后把它当成一种纳米尺度的建筑材料，”该研究所的单分子生物物理学中心的成员、文理学院化学和生物化学助教授HaoYan说。

 

HaoYan是称之为结构DNA纳米技术这一快速发展的领域中的一位研究人员。该技术把生物分子组装成各种纳米结构，在从人类健康到纳米电子学的诸多领域都有应用。

 

HaoYan领导的亚利桑那州立大学的一支跨学科研究组，开发了一种利用结构DNA纳米技术瞄准称为RNA的基因化学信使的方法。

 

这个研究组的成员包括：论文第一作者、化学和生物化学研究生Yonggang Ke；化学和生物化学助教授Yan Liu；单分子生物物理中心主任、物理学教授Stuart Lindsay；以及生命科学学院的副教授Yung Chang。

 

“这是一种强有力的技术的首批实践应用之一，此前，该技术主要是研究示范的课题，”Lindsay说。“结构DNA纳米技术的领域最近出现了令人非常激动的进展，即Ned Seeman、Erik Winfree及其同事最先示范了用瓦片DNA自组装构建几何与拓扑纳米结构，”Hao Yan说。

 

最近制造空间可寻址的DNA纳米阵列的突破是来自Paul Rothemund的关于脚手架DNA折纸技术的研究，在这种技术中，一种长的单链病毒DNA脚手架可以被大量的短合成“辅助链”折叠并钉在纳米结构上，显示出复杂的图案。

 

“但是结构DNA纳米技术在生物应用方面的潜力被低估了，如果我们看看DNA自组装的过程，你会惊奇地发现数以万亿的DNA纳米结构可以在几微升的溶液里同时形成，非常重要的是，它们具有生物相容性且易溶于水，”Hao Yan说。

 

DNA芯片和微阵列技术已经成为了价值数十亿美元的产业，科学家可以使用这项技术同时检查数千个基因的突变或者发现疾病的线索。然而，由于DNA探针是固定在微阵列芯片的固体表面上的，靶标寻找到探针是一个缓慢的过程。而且，很难把探针之间的距离控制在纳米精度上。

 

“在这项研究中，我们开发了一种水溶性纳米阵列，可以利用DNA自组装过程，而且还拥有宏观DNA芯片阵列所不具有的优点，”Hao Yan说。“与固体表面芯片不同，这种阵列本身就是反应物。”

 

为了制造DNA折纸技术的RNA探针，Hao Yan利用了DNA化学字母的基本配对规则（“A”只能与“T”形成一个类似于拉链的化学键，而“G”只能与“C”配对）。通过控制这些碱基在一段合成DNA拷贝中的准确位置，Hao Yan编制了一个单链基因组DNA，称为M13，制成了含有针对特定基因表达靶标的探针的纳米瓦片。

 

Hao Yan把这种自我装配的DNA纳米阵列称作核酸探针瓦片，它们看上去就像纳米尺寸的邮票。只用一步，M13脚手架系统就可以制造出100万亿个瓦片，产率接近100%。

 

Hao Yan的研究组设计了三种不同的DNA探针瓦片，用于检测三种不同的RNA基因，还设计了一个条码索引用于把不同的瓦片区分开来。“每一个探针都可以通过自身的条码加以辨别，因此我们把它们混合在同一个溶液中，然后我们用它进行多元检测，”Hao Yan说。这个研究组使用了一种强大的仪器，称为原子力显微镜（AFM）。这种仪器可以让科学家在单分子水平上拍摄瓦片的图像。

 

在每一个DNA探针瓦片的表面有一条悬挂着的单链DNA片断，可以与目标RNA靶标结合。“每一个探针实际上都含有两个一半的探针，当靶标RNA到来的时候，它将与半探针杂交，让单链悬挂探针变成刚硬的结构，”Hao Yan说。“当它变硬后，它就会被原子力显微镜的悬臂感觉到，你就能看到一条亮线，代表高度增加。结果实现了一个机械的、不需要标签的检测。”

 

这种技术还能检测微量的RNA。“由于在原则上DNA-RNA杂交的亲和力如此之强，仅仅一个分子就可以与探针瓦片杂交，” Hao Yan说。

 

尽管还有许多技术障碍有待克服，这个研究组对于该技术的可能应用感到激动。“我们的方法所提供的是水溶性探针瓦片反应物，因此样本的容量有可能缩小到单细胞容量的水平。我们的最终目标是在单细胞水平上检测RNA基因表达。”