脫氧核糖核酸作為功能聚合物

Juewen 劉教授

Juewen 劉,助理教授,化學系教授,滑鐵盧, 200 所大學大道,滑鐵盧,安大略,加拿大大學
對應的作者: liujw@uwaterloo.ca

六十年前,解決了脫氧核糖核酸雙重螺旋的著名結構,達到現代分子生物學誕生。 從那以後,脫氧核糖核酸廣泛地被學習了作為基因。 在 20 世紀 70 年代,固體階段脫氧核糖核酸綜合被發明了,允許一得到任意低聚核苷酸順序。 在 1986年,聚合酶鏈反應的發明 (PCR)允許無限編碼脫氧核糖核酸複製從甚而一個唯一分子被放大。 它是使成為可能測試脫氧核糖核酸的新的功能的這兩個技術。

脫氧核糖核酸有高度可以被設計根據一個簡單的基本配對的規律的可編程序的結構。 例如,稱結構上的脫氧核糖核酸納米技術的域體驗迅速發展,表明由許多發布複雜的第 2 和 3D nanostructures。[1] 在這些結構,多種 nanoparticles 存款提供其他功能。 另一有趣推進是在脫氧核糖核酸的發現上作為催化劑 (催化作用的脫氧核糖核酸) 和為分子識別 (aptamer),做脫氧核糖核酸蛋白質的功能替代項。 與蛋白質比較,脫氧核糖核酸是更加穩定,更加容易進行站點特定標記,和容易對結合對多種材料,普及脫氧核糖核酸作為選擇分子在修建功能納諾和生物材料。

Nanomaterials

因為他們擁有唯一範圍和距離從屬的物理屬性, Nanomaterials 是有吸引力的。 當顆粒大小可以是井湧控制通過化工綜合時,相互微粒距離控制與子 nm 精確度的和微粒的不同的類型的組織依然是困難。 脫氧核糖核酸提供一個唯一解決方法給解決這些問題。 另一方面,脫氧核糖核酸和脫氧核糖核酸 aptamers 分子識別屬性允許這些 nanomaterials 為 biosensing 的和生物醫學的應用使用。[2,3] 我的實驗室是對測試脫氧核糖核酸和多種 nanomaterials 之間的生物物理學的界面感興趣引導更好的生理傳感器、生物材料和藥物送貨系統設計。

根本瞭解

在一個不變長度的 ~50 內毫微米,雙股的脫氧核糖核酸可以考慮作為有直徑的一把嚴格的標尺 2 毫微米。 每個另外的基本對造成 0.34 毫微米長度增量。 所以,使用脫氧核糖核酸,子 nm 距離控制可以達到。 各種各樣的附件化學的可用性,脫氧核糖核酸可以與幾乎所有已知的 nanomaterials 被鏈接。 我們是對學習多種 nanomaterials 距離從屬的屬性感興趣,包括金 nanoparticles、脂質體、磁性 nanoparticles、數量小點和 graphene 使用脫氧核糖核酸作為連接器。 例如,圖 1A 顯示脫氧核糖核酸functionalized 金 nanoparticles 裝配使用與隨後的顏色更改的連接器脫氧核糖核酸從紅色到紫色。[4] 同一個想法可以適用於裝配軟的脂質體 nanoparticles (圖 1B), [5] 以及金脂質體雜種 (圖 1C)。[6] 相互微粒距離可以通過更改脫氧核糖核酸順序精密地控制。 學習這些系統可能提供答案到脫氧核糖核酸表面交往以及實際活動聯結在微粒中的。

圖 1. 金 nanoparticles (a),脂質體 (b) 和他們的雜種 (c) 脫氧核糖核酸處理的裝配概要。
(d) 在 (c) 顯示的結構的代表 TEM 微寫器。

環境監測

在一個簡單的結構上的分子之外,脫氧核糖核酸可能認可甚而各種各樣的離子、分子和細胞與高特異性。 一旦檢測高度含毒物水銀,使用胸腺嘧啶富有的脫氧核糖核酸。 如圖 2 所顯示,此脫氧核糖核酸可能摺疊到簪子在脫氧核糖核酸捆綁添加染料要求 SYBR 綠色我的水銀捆綁 (SG),綠色熒光獲得。 固定檢測脫氧核糖核酸的水銀對水凝膠有一定數量的好處。 這個膠凝體允許傳感器乾燥和重新生成。 更加重要地,這個膠凝體可能有效地吸附水銀,增加其在這個膠凝體內的濃度。 通過鉗製,我們達到水銀的高度有選擇性和敏感檢測,不用使用所有分析儀器。[7,8]

圖 2。 在的水銀檢測的水凝膠固定的一臺基於脫氧核糖核酸的生理傳感器
SG 變得高度螢光在束縛對在脫氧核糖核酸的雙股的區域。

生物醫學的診斷

除重金屬的離子的識別外, aptamers 可以被選擇束縛其他分子例如蛋白質和代謝產物。 此 aptamer 選擇過程從仅順序束縛這種代謝產物保留任意脫氧核糖核酸分子的一個巨大的圖書館開始。 在表 3,可能束縛到 ATP 的順序顯示。[9] 當此 aptamer 在純緩衝時可能有效檢測 ATP,其性能由血清出現嚴格干涉。 對於血樣,達到在一個非常小的範例數量的檢測是重要的。 我們通過附有在一個磁性微粒,它上的基於 aptamer 的傳感器 (MMP)在 10 mL 查找了那是可能達到檢測人血血清。 由於 MMP,我們可能從熒光信號檢測步驟分隔 ATP 約束步驟,允許我們稀釋血清的作用。[10]

ATP 約束 aptamer 和其鉗製的圖 3. 順序
MMP 允許在人血血清的有效 ATP 檢測。

藥物發運應用

同一個脫氧核糖核酸選擇方法可能也用於瞄準癌細胞。[11] 許多脫氧核糖核酸 aptamers 已經查出瞄準許多不同的腫瘤細胞系。 例如,氨基羥尿環富有的順序輸入了臨床試驗。 利用藥物裝載和想像的 nanomaterials,脫氧核糖核酸functionalized 生物材料可能允許複雜的功能認識到包括被瞄準的發運和診斷。

總之,脫氧核糖核酸是與結構上和功能屬性的一個非常多才多藝的分子。 與多種納諾和生物材料的連接的脫氧核糖核酸可能極大改進這些脫氧核糖核酸分子性能以多種應用。 同時,脫氧核糖核酸結構上的屬性允許 nanomaterials 準確的裝配與高精度的,允許可能加劇多種應用的更加進一步的發展的根本生物物理學的瞭解。

參考

  1. Seeman NC。 在一個物質世界的脫氧核糖核酸。 本質 2003年; 421 : 427-31.
  2. Storhoff JJ,與脫氧核糖核酸的 Mirkin CA. 被編程的材料綜合。 Chem。 1999 年; 99 : 1849-62.
  3. 劉 J, Cao Z, Lu Y. Functional 核酸傳感器。 Chem。 2009 年; 109 : 1948-98.
  4. 史密斯 BD,脫氧核糖核酸Functionalized Nanoparticles 的劉 J. Assembly 在酒精溶劑的顯示在脫氧核糖核酸雜交的熱力學和運動趨勢對面。 J. 上午. Chem。 Soc. 2010年; 132 : 6300-1.
  5. 戴維 N,脫氧核糖核酸Functionalized 由脫氧核糖核酸的脂質體的劉 J. Programmable Assembly。 Acs 納諾 2011年; 5 : 1304-12.
  6. 戴維 N,紫外幅射線導致的脂質體損失的劉 J. Protection 和促銷通過有金子的 Nanoparticles 脫氧核糖核酸處理的集合。 副詞。 Mater。 2011年; 在新聞中。
  7. 戴維 N,黃 P-JJ,我的陳,史密斯 BD,超靈敏,儀器自由的水星的劉 J. Regenerable 脫氧核糖核酸Functionalized 水凝膠 (II) 檢測和刪除在水中。 J. 上午. Chem。 Soc. 2010年; 132 : 12668-73.
  8. 約瑟夫鉀,戴維 N,脫氧核糖核酸Functionalized 高靈敏的 Hg2+ 檢測的整體水凝膠劉 J. Electrostatically Directed 視覺熒光回應。 ACS Appl。 Mater。 相互。 2011年; 3 : 733-9.
  9. Huizenga DE, Szostak JW。 束縛腺苷和 ATP 的脫氧核糖核酸 Aptamer。 生化 1995年; 34 : 656-65.
  10. 黃 PJJ,劉 JW。 流細胞術協助解決腺苷的檢測在血清的與一個被固定的 Aptamer 傳感器。 肛門。 Chem。 2010年; 82 : 4020-6.
  11. 犬齒 XH, Tan WH。 Aptamers 從分子醫學的細胞SELEX 生成了: 一個化工生物途徑。 Acc. Chem。 Res. 2010年; 43 : 48-57.

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

Last Update: 14. June 2013 06:47

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