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脱氧核糖核酸作为功能聚合物

Juewen 刘教授

Juewen 刘,助理教授,化学系教授,滑铁卢, 200 所大学大道,滑铁卢,安大略,加拿大大学
对应的作者: liujw@uwaterloo.ca

六十年前,解决了脱氧核糖核酸双重螺旋的著名结构,达到现代分子生物学诞生。 从那以后,脱氧核糖核酸广泛地被学习了作为基因。 在 20 世纪 70 年代,固体阶段脱氧核糖核酸综合被发明了,允许一得到任意低聚核苷酸顺序。 在 1986年,聚合酶链反应的发明 (PCR)允许无限编码脱氧核糖核酸复制从甚而一个唯一分子被放大。 它是使成为可能测试脱氧核糖核酸的新的功能的这两个技术。

脱氧核糖核酸有高度可以被设计根据一个简单的基本配对的规律的可编程序的结构。 例如,称结构上的脱氧核糖核酸纳米技术的域体验迅速发展,表明由许多发布复杂的第 2 和 3D nanostructures。[1] 在这些结构,多种 nanoparticles 存款提供其他功能。 另一有趣推进是在脱氧核糖核酸的发现上作为催化剂 (催化作用的脱氧核糖核酸) 和为分子识别 (aptamer),做脱氧核糖核酸蛋白质的功能替代项。 与蛋白质比较,脱氧核糖核酸是更加稳定,更加容易进行站点特定标记,和容易对结合对多种材料,普及脱氧核糖核酸作为选择分子在修建功能纳诺和生物材料。

Nanomaterials

因为他们拥有唯一范围和距离从属的物理属性, Nanomaterials 是有吸引力的。 当颗粒大小可以是井涌控制通过化工综合时,相互微粒距离控制与子 nm 精确度的和微粒的不同的类型的组织依然是困难。 脱氧核糖核酸提供一个唯一解决方法给解决这些问题。 另一方面,脱氧核糖核酸和脱氧核糖核酸 aptamers 分子识别属性允许这些 nanomaterials 为 biosensing 的和生物医学的应用使用。[2,3] 我的实验室是对测试脱氧核糖核酸和多种 nanomaterials 之间的生物物理学的界面感兴趣引导更好的生理传感器、生物材料和药物送货系统设计。

根本了解

在一个不变长度的 ~50 内毫微米,双股的脱氧核糖核酸可以考虑作为有直径的一把严格的标尺 2 毫微米。 每个另外的基本对造成 0.34 毫微米长度增量。 所以,使用脱氧核糖核酸,子 nm 距离控制可以达到。 各种各样的附件化学的可用性,脱氧核糖核酸可以与几乎所有已知的 nanomaterials 被链接。 我们是对学习多种 nanomaterials 距离从属的属性感兴趣,包括金 nanoparticles、脂质体、磁性 nanoparticles、数量小点和 graphene 使用脱氧核糖核酸作为连接器。 例如,图 1A 显示脱氧核糖核酸functionalized 金 nanoparticles 装配使用与随后的颜色更改的连接器脱氧核糖核酸从红色到紫色。[4] 同一个想法可以适用于装配软的脂质体 nanoparticles (图 1B), [5] 以及金脂质体杂种 (图 1C)。[6] 相互微粒距离可以通过更改脱氧核糖核酸顺序精密地控制。 学习这些系统可能提供答案到脱氧核糖核酸表面交往以及实际活动联结在微粒中的。

图 1. 金 nanoparticles (a),脂质体 (b) 和他们的杂种 (c) 脱氧核糖核酸处理的装配概要。
(d) 在 (c) 显示的结构的代表 TEM 微写器。

环境监测

在一个简单的结构上的分子之外,脱氧核糖核酸可能认可甚而各种各样的离子、分子和细胞与高特异性。 一旦检测高度含毒物水银,使用胸腺嘧啶富有的脱氧核糖核酸。 如图 2 所显示,此脱氧核糖核酸可能折叠到簪子在脱氧核糖核酸捆绑添加染料要求 SYBR 绿色我的水银捆绑 (SG),绿色荧光获得。 固定检测脱氧核糖核酸的水银对水凝胶有一定数量的好处。 这个胶凝体允许传感器干燥和重新生成。 更加重要地,这个胶凝体可能有效地吸附水银,增加其在这个胶凝体内的浓度。 通过钳制,我们达到水银的高度有选择性和敏感检测,不用使用所有分析仪器。[7,8]

图 2。 在的水银检测的水凝胶固定的一台基于脱氧核糖核酸的生理传感器
SG 变得高度萤光在束缚对在脱氧核糖核酸的双股的区域。

生物医学的诊断

除重金属的离子的识别外, aptamers 可以被选择束缚其他分子例如蛋白质和代谢产物。 此 aptamer 选择过程从仅顺序束缚这种代谢产物保留任意脱氧核糖核酸分子的一个巨大的图书馆开始。 在表 3,可能束缚到 ATP 的顺序显示。[9] 当此 aptamer 在纯缓冲时可能有效检测 ATP,其性能由血清出现严格干涉。 对于血样,达到在一个非常小的范例数量的检测是重要的。 我们通过附有在一个磁性微粒,它上的基于 aptamer 的传感器 (MMP)在 10 mL 查找了那是可能达到检测人血血清。 由于 MMP,我们可能从荧光信号检测步骤分隔 ATP 约束步骤,允许我们稀释血清的作用。[10]

ATP 约束 aptamer 和其钳制的图 3. 顺序
MMP 允许在人血血清的有效 ATP 检测。

药物发运应用

同一个脱氧核糖核酸选择方法可能也用于瞄准癌细胞。[11] 许多脱氧核糖核酸 aptamers 已经查出瞄准许多不同的肿瘤细胞系。 例如,氨基羟尿环富有的顺序输入了临床试验。 利用药物装载和想象的 nanomaterials,脱氧核糖核酸functionalized 生物材料可能允许复杂的功能认识到包括被瞄准的发运和诊断。

总之,脱氧核糖核酸是与结构上和功能属性的一个非常多才多艺的分子。 与多种纳诺和生物材料的连接的脱氧核糖核酸可能极大改进这些脱氧核糖核酸分子性能以多种应用。 同时,脱氧核糖核酸结构上的属性允许 nanomaterials 准确的装配与高精度的,允许可能加剧多种应用的更加进一步的发展的根本生物物理学的了解。

参考

  1. Seeman NC。 在一个物质世界的脱氧核糖核酸。 本质 2003年; 421 : 427-31.
  2. Storhoff JJ,与脱氧核糖核酸的 Mirkin CA. 被编程的材料综合。 Chem。 1999 年; 99 : 1849-62.
  3. 刘 J, Cao Z, Lu Y. Functional 核酸传感器。 Chem。 2009 年; 109 : 1948-98.
  4. 史密斯 BD,脱氧核糖核酸Functionalized Nanoparticles 的刘 J. Assembly 在酒精溶剂的显示在脱氧核糖核酸杂交的热力学和运动趋势对面。 J. 上午. Chem。 Soc. 2010年; 132 : 6300-1.
  5. 戴维 N,脱氧核糖核酸Functionalized 由脱氧核糖核酸的脂质体的刘 J. Programmable Assembly。 Acs 纳诺 2011年; 5 : 1304-12.
  6. 戴维 N,紫外幅射线导致的脂质体损失的刘 J. Protection 和促销通过有金子的 Nanoparticles 脱氧核糖核酸处理的集合。 副词。 Mater。 2011年; 在新闻中。
  7. 戴维 N,黄 P-JJ,我的陈,史密斯 BD,超灵敏,仪器自由的水星的刘 J. Regenerable 脱氧核糖核酸Functionalized 水凝胶 (II) 检测和删除在水中。 J. 上午. Chem。 Soc. 2010年; 132 : 12668-73.
  8. 约瑟夫钾,戴维 N,脱氧核糖核酸Functionalized 高灵敏的 Hg2+ 检测的整体水凝胶刘 J. Electrostatically Directed 视觉荧光回应。 ACS Appl。 Mater。 相互。 2011年; 3 : 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW。 束缚腺苷和 ATP 的脱氧核糖核酸 Aptamer。 生化 1995年; 34 : 656-65.
  10. 黄 PJJ,刘 JW。 流细胞术协助解决腺苷的检测在血清的与一个被固定的 Aptamer 传感器。 肛门。 Chem。 2010年; 82 : 4020-6.
  11. 犬齿 XH, Tan WH。 Aptamers 从分子医学的细胞SELEX 生成了: 一个化工生物途径。 Acc. Chem。 Res. 2010年; 43 : 48-57.

Date Added: May 12, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:44

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