DNA折纸——金纳米粒子自组装复合结构在小分子检测中的应用研究

摘要

“DNA折纸术”(DNA origami)是一种DNA自组装新方法，最早由美国学者Rothemund在2006年提出。DNA折纸在分子自组装方法和自身属性上拥有其他方法无法企及的优点：可编码、空间分辨率高、合成反应简单快速、易在特定位点进行化学修饰、具有精确的空间可寻址性和较高的生物相容性等。目前，DNA折纸被广泛应用于制备纳米复合物、微元件，以及作为模板合成其他材料，也常用于生化传感器、疾病诊断与治疗、纳米药物载体与药物传输等领域。近年来，以可寻址性的DNA折纸为模板，通过原子力显微镜(AFM)扫描，分辨生物大分子结合造成的纳米尺度高度上的差异，进而实现了大分子如蛋白质等的检测。然而，由于小分子尺寸太小，其结合无法提供AFM可分辨的高度差异，因此将DNA折纸结构用于小分子物质检测的应用研究还未见报道。
　　本研究针对以上问题，探究了纳米金(AuNPs)与 DNA折纸组装过程中，不同因素对组装效率的影响。并在此基础上，引入核酸适配体(Aptamer)用于实现小分子物质——黄曲霉毒素B1(AFB1)在DNA折纸模板上的检测。
　　本论文的主要工作如下：
　　1.寡核苷酸长度及探针个数对纳米金和三角形 DNA折纸组装效率的影响
　　在此工作中，首先，我们通过调整脚手架链(scaffold)与订书钉链(staples)的相对浓度、改变AFM样品制备方法、简化AFM检测等过程，对三角形DNA折纸的构建和AFM扫样过程进行了条件优化。接着，我们分别探究了寡核苷酸探针长度、AuNPs表面修饰寡核苷酸长度，以及探针个数不同，对二者组装效率的影响。寡核苷酸长度设置为梯度增长的碱基长度：20-mer、40-mer、60-mer，探针个数依次为1、2、3。结果表明：20-mer碱基长度的寡核苷酸修饰的AuNPs组装在DNA折纸上得到的复合物单分散性最好；3个探针能更有效的捕获目标物质；虽捕获探针的长度对捕获效率的影响可忽略不计，但出于经济成本考虑，建议使用20-mer长度的探针。本研究为基于DNA折纸模板的手性等离子体纳米结构的高效组装方法提供了有效的信息。
　　2.利用连有核酸适配体探针的DNA折纸传感器检测黄曲霉毒素 B1
　　我们构建的纳米生物传感器结合了DNA折纸、AuNPs、aptamer、AFB1，充分利用了DNA折纸的精确空间位置排布的特性，实现了对小分子物质的检测。在本工作中，DNA折纸上连有的检测探针为可特异性识别AFB1的aptamer，当检测体系中出现AFB1时，它能被aptamer特异性识别；由于 AFB1的占据，探针将不能捕获随后加入的用互补序列 DNA（依据Watson-Crick法则）修饰的AuNPs。同时，我们探究了传感器对不同AFB1浓度的检测。通过AFM和琼脂糖凝胶电泳进一步分析测定，本装置允许体系中被测物浓度低至0.8 ng/mL。
　　综上所述，本研究对DNA折纸结构AFM样品的制备方法进行了有价值的改进；对基于DNA折纸模板的表面等离子体手性纳米结构的高效率组装方法做了更进一步的完善。在此基础上，我们构建的DNA折纸生物传感器，实现了对黄曲霉毒素 B1的直接检测，为 DNA折纸结构用于小分子可视化检测方法提供了新的思路，为高效多能纳米复合材料的制备、疾病诊断平台的搭建提供新的方法，并进一步拓宽相关的研究领域。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第1章 绪论

1.1 DNA折纸术简介

1.2以DNA折纸为模板的纳米结构

1.3 DNA折纸复合纳米材料的应用

1.4本课题的研究背景、研究意义及主要内容

第2章 实验材料与方法

2.1实验材料、试剂与仪器

2.2实验方法

第3章 寡核苷酸长度及探针个数对AuNPs和三角形DNA折纸组装效率的影响

3.1引言

3.2实验步骤

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第4章 利用连有核酸适配体探针的DNA折纸传感器检测黄曲霉毒素B1

4.1引言

4.2实验步骤

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录

致谢

硕士期间科研成果