湖南大學譚蔚泓院士J. Am. Chem. Soc.: 三維納米邏輯機器用于癌細胞表面運算識別

【引言】

細胞表面存在成千上萬種受體，他們在細胞的交流、成長、增值和死亡中扮演重要角色，并且可作為疾病診斷、治療和生物醫學工程的生物標志物。近年來，基于分子識別的DNA分子機器領域取得迅猛發展，為癌癥的精準診療提供了新的分子設計策略與手段。通過集成各分子元器件的納米機器來識別這些生物標志物，然后運算產生特異的響應信號，可實現癌細胞的精準識別，在人工分子器件和生物醫藥領域具有巨大潛力。

【成果簡介】

近日，湖南大學的譚蔚泓院士和宦雙燕教授（共同通訊）團隊設計并構建了一種基于核酸適體和DNA三棱柱(TP)的三維納米邏輯機器。這種納米級機器可在癌細胞膜表面實現布爾邏輯運算，展現出精準診療的潛力。相比于傳統的游離于溶液中的線性雙鏈DNA計算系統，這種三維DNA納米機器集成了所有的邏輯運算單元，當特定細胞類型出現時，運算產生特異的響應信號，大大提升了細胞識別的準確性。這種分子集成設計策略具有廣闊的潛力。該成果以題為"Engineering a 3D DNA-Logic Gate Nanomachine for Bispecific Recognition and Computing on Target Cell Surfaces"發表在J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文導讀】

圖1.DNA納米機器的工作原理

圖2.三維DNA邏輯納米機器在溶液中的自組裝和動態邏輯運算

(a).基于DNA三棱柱（TP）的納米邏輯機器鏈置換示意圖；

(b).DNA邏輯TP分步自組裝的電泳結果；

(c).DLS結果；

(e).DNA邏輯TP動態行為的活性電泳結果

(f).cS或cF的比例優化

(g). DNA邏輯TP對DNA鏈置換的熒光變化

圖3.線性雙鏈DNA和三維DNA邏輯TP在細胞表面靶向中的區別

(a).線性雙鏈DNA和三維DNA邏輯TP在10%FBS中的穩定性考察；

(b).線性雙鏈DNA和三維DNA邏輯TP在靶細胞表面分子運算的圖示；

(c).?流式細胞術對各組的熒光強度分析；

圖4.三維DNA邏輯納米機器用于識別細胞表面

(a).流式細胞術分析；

(b).激光共聚焦成像；

(c).DNA邏輯門運算真值表；

【小結】

在這個工作中，彭瑞資和鄭小芳是本文的并列第一作者，他們共同設計和構建了一種基于適配體的三維DNA邏輯門TP納米機器。這種納米機器除了在癌癥細胞膜表面實現布林邏輯運算，還可以輕易進入細胞內，展現出診療的潛力。與基于線性雙鏈DNA相比，這種三維DNA納米機器集成了所有的邏輯運算單元，當特定細胞類型出現時，運算產生特異的響應信號，大大提升了細胞識別的準確性。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部等部門的科研資助。

Engineering a 3D DNA-Logic Gate Nanomachine for Bispecific Recognition and Computing on Target Cell Surfaces

?(J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10. 1021/jacs.8b04319)

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