Small:功能性DNA在分子印迹中的应用

分子印迹是指利用功能性聚合单体与模板分子之间的特异性作用,通过交联剂聚合固定,再将模板分子除去,从而制备对模板分子具有特异性识别与选择性吸附的聚合物的技术。分子印迹具有稳定性高和制备成本低等优点,同时可印迹的目标分子非常广泛,包括从小分子,金属离子到大分子蛋白,甚至整个细胞都可作为印迹模板。自1972年Wulff和Klotz首次制备分子印迹聚合物,分子印迹已经广泛应用于生物传感,固相分离,有机合成,纳米医学以及生物催化等多个领域。然而,分子印迹也同样面临许多挑战。第一,特异性识别的亲和力较弱。第二,吸附过程缺少有效信号传导。第三,功能性单体的选择仍有提升空间。

为了解决这些问题,近年来尝试利用生物分子,如抗体,多肽以及糖类分子等作为功能单体的印迹不断出现。虽然印迹的特异性有所提升,但是抗体和多肽的稳定性差,成本高,而可特异识别糖类功能单体的模板分子又十分有限。DNA是由四种核苷酸(ATCG)以磷酸二脂键连接的共聚体。相对于多肽和抗体,DNA具有稳定性高,序列准确可控等优点。DNA除了作为生物遗传载体,还具有特异性识别(DNA适配体)和生物催化(DNA酶,或称脱氧核酶)的独特功能。因此,功能性DNA在分子印迹中的应用在过去的五年里取得了快速的发展。

加拿大滑铁卢大学化学系刘珏文教授作为功能性DNA研究领域的专家,结合其课题组近年研究成果,对这一领域进行了全面的总结与展望。第一,DNA适配体可有效提高分子印迹的亲和力。DNA适配体是通过体外筛选技术SELEX (Systematic evolution of ligands by exponential enrichment)获得的,能结合特定分子的寡聚核苷酸。通过5’末端丙烯酰胺化修饰,DNA适配体可用作印迹的聚合单体。目前,包括可卡因,腺苷酸,凝血蛋白等多种DNA适配体已成功应用到分子印迹当中。通过DNA适配体的共聚,印迹聚合物对模板分子的识别亲和力得到大幅地提升。第二,DNA可为分子印迹提供信号传导。分子印迹聚合物对模板分子的识别及再吸附过程缺乏简单快速的检测方法。DNA为这一问题提供了解决方法。首先,DNA可标记荧光和淬灭基团。标记的DNA用于印迹后可将模板分子的识别过程转换为荧光信号。另外,许多染料比如SYBR Green,溴化乙锭等也可以特异结合DNA产生荧光信号。第三,分子印迹可提升DNA酶的催化特异性。比如G四联体(G-quadruplex) 是具有类过氧化酶活性的DNA酶,但其对于底物分子的催化没有选择性。通过制备分子印迹凝胶层,DNA酶对特定底物的特异性得到了有效地提升。最后,分子印迹对某些DNA适配体的筛选也有帮助。在此方向上,南京大学刘震教授课题组通过分子印将靶标蛋白可逆地迹固定在磁珠上,很快地得到了高效的适配体。

在未来,功能性DNA在分子印迹中相关研究还会有长远的发展。尤其是在生物传感器上的应用,DNA可与更多样的功能材料,比如量子点,转换荧光纳米粒等联合使用,从而进一步提升印迹的信号转导。此外,计算机模拟技术也可为功能单体的选择提供重要帮助。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201805246)上,第一作者是博士生张子杰。