【DNA Nanotechnology】生物传感器的设计元素：别构核酸适配体

1905年，物理学界俗称的“奇迹年”，Einstein发表了布朗运动的微观机制，粒子无论是否有“生命力”，都在进行着无规则的随机运动。这意味着，非平衡是世界的主旋律，其宏观表象即为生命。生命赖负熵而生，通过对外界物质、能量和信息的摄取，微观粒子自发组织成有序结构，发挥着各种各样的功能。核酸即为生命中的一种典型有序功能结构。

——序言——

罗马大学化学科学与技术系的Francesco Ricci课题组基于DNA的相互作用模式及结构特点，多次成功设计出相关的纳米器件(Chem. Sci. 6, 3692-3696(2015)；Nano Lett. 17, 3225-3230(2017)；J. Am. Chem. Soc. 140, 14725-14734(2018))。近期，此课题组再次成功设计了基于DNA的别构核酸适配体，作为一种灵敏的纳米生物传感器，在外界刺激下，可实现瞬时的ATP与可卡因的释放(Angew. Chem. Int. Ed. 58, 5582-5586(2019))。

——方法——

基于别构的基本思想，当一个配体结合特异性受体时，别构抑制剂将会减弱配体的亲和力，从而增大游离配体的浓度（图1b）；这种抑制作用的直观表示，即为受体发生了构象变化，从关闭状态变为开放状态（图1c），进而释放配体。外加酶可降解抑制剂（图1a），从而瞬时激活受体（图1d），进而产生一种时间依赖的趋势（图1e）。

       图1 设计思路     

第一个设计模型，通过一段核酸linker连接双链DNA作为受体，ATP作为配体，当另一段互补核酸结合linker时，双链DNA间的相互作用便会削弱，ATP便会释放；加入特异性酶Nt.BsmAI则会特异性识别抑制剂序列，进而降解别构抑制剂，从而实现瞬时激活（图2a，b）。而将特异性酶换为非特异性的抑制剂的RNase H，明显看出RNase H并没有瞬时激活的趋势（图2c）。随着Nt.BsmAI浓度的提高，这种瞬时的能量扩散特征越明显。

图2 纳米器件的实验验证

实际上，这种设计可以实现类似碘钟实验的化学振荡，考虑到真实的人体内环境中，各种物质的浓度基本呈现出周期性的升降趋势（图3）。间隔性地加入抑制剂，类似人体不断摄入外来物质，体系便会呈现出周期性质。

图3 可逆的释放与激活

这种器件也能推广到其它的配体，利用类似的原理，将ATP换成可卡因，其性质依然与前者类似，具有瞬时开关以及可逆的性质（图4）。

图4 普适性的验证

——后记——

这个世纪的科研将主要集中在新材料的研发应用与对生命深层次的探索，基础科研的研究成果在实际生活中的应用前景，我们应该有足够的重视与评估。或许再过一段时间，时间晶体、暗能量、量子纠缠等前沿物理领域，将爆发新一轮的认知革命，这些认知如百年前一样，颠覆我们对客观世界的看法，当然也可能一切都不会变化。

总之，远方繁花盛放，只待风起青萍之末，散尽楼台浓雾。

参考文献：

Del Grosso, Erica, et al. “Fuel-Responsive Allosteric DNA-Based Aptamers for the Transient Release of ATP and Cocaine."Angew. Chem. Int. Ed. 58, (2019):5582-5586.

DOI: 10.1002/anie.201812885.