迪肯大學楊文榮團隊Acc. Chem. Res.：基于軟納米構建技術為基礎的手性生物傳感

【引言】

手性是分子的基本屬性之一，手性分子與其鏡像不能互相重合。對分子手性的基礎研究包括分析檢測將會極大促進化學、生物學、藥理學和生物技術等各個領域的發展。尤其手性在蛋白質、DNA結構以及藥物分子的設計、合成和純化中起著重要的作用。由于手性分子及其對映體具有相同的分子式及相同的化學鍵和鍵距，因此客觀上難以區分及定量檢測。大多數新藥和正在開發的藥物都具有手性特征，因此，發展快速、簡便的手性分子檢測與鑒別方法刻不容緩。雖然近年來在手性分子的檢測方面取得了很多的進展，但由于傳統檢測技術的局限性，實現手性分子高靈敏度、高選擇性的檢測仍然是一個巨大的挑戰。軟納米構建技術是作為一種納米科技在系統性及整體性上的拓展， 其通過原子/分子水平的操作、化學反應、自組裝技術等多種作用的整合以及其受外界場/刺激來調控構建其整合的功能，為手性生物傳感技術的發展提供了新一的傳感策略。

【成果簡介】

近日，澳大利亞迪肯大學楊文榮教授團隊與日本國家材料科學研究所、東京大學Katsuhiko Ariga教授，青島科技大學周宏教授合作撰寫該論文，旨在簡要討論軟納米結構在手性生物選擇性傳感的應用前景，著眼于用于手性傳感的軟納米結構的基本原理和機制，討論該領域的新突破和趨勢，展望新的手性分子傳感策略。該成果以題為“Soft Nanoarchitectonics for Enantioselective Biosensing”發表在了Acc. Chem. Res.上。

【圖文導讀】

圖1?軟納米構建技術概念

軟納米結構概念的概要，協調各種相互作用和機制，包括不可控因素。

圖2 還原氧化石墨烯（CRGO）表面上酶納米建筑結構

圖3 用于原位miR-21成像的DNAzyme基DNA納米機器的結構示意圖

圖4 超分子的合成示意圖

(A) Au NCs/-[_D-Cys-Au(I)]_n-和(B) Au NCs/-[_L-Cys-Au(I)]_n-超分子合成及LDI-MS分析檢測手性肉毒堿示意圖

圖5半胱氨酸修飾電極上Cu²⁺手性識別肉堿分子

圖6?晶體管傳感設備檢測氣體綁定蛋白與手性分子相互作用

圖7?L-半胱氨酸功能化核心-衛星GNP網絡生物傳感器示意圖

【小結】

基于軟納米構建技術的手性生物傳感器的成功構建證明其具有設計策略靈活和功能元件組裝可控的顯著優勢。本文簡要綜述了近年來在軟納米構建技術在手性生物傳感器方面的研究進展，它們為實現手性分子高靈敏度、高選擇性的分析檢測提供研究及發展的平臺。

【展望】

雖然基于軟納米構建技術的生物傳感器的研究已經取得了很多進展，但人們仍期待著進一步來擴展。首先，隨著對手性相互作用的基本認識，對映體與探測分子之間的手性相互作用很大程度上依賴于對環境極為敏感的特定空間結構。其次，酶和DNA結構的應用是設計基于軟納米結構的對映體選擇性檢測傳感接口的有力工具。具有L或D構型的酶只能催化底物與相應的手性底物的反應，為手性識別提供了一種有效的方法。納米結構-酶界面的高分辨率映射和酶基結構的基礎表面化學的全面理解將是酶基手性生物傳感器設計的關鍵。穩健的酶基納米結構在保持酶活性的同時，使酶可以多次使用，并能很容易地從生物識別信號轉換中恢復，在生物傳感中具有重要的應用。在活性水平和選擇性方面，酶的功能可以改變，在這一領域成功開發的主要研究挑戰是設計和合成下一代納米材料的能力，這種材料將以可預測的方式與酶相互作用，從而實現對生物傳感功能的控制。第三，兩個對映體與結合位點（手性中心）成鍵構象不同，導致對映體的選擇性檢測。因此，手性選擇子內結合位點的數量（單個或多個）以及這些結合位點與對映體的相互作用是影響對映體選擇性檢測靈敏度和選擇性的重要因素。可以探索更多的手性識別和相互作用系統。此外，氨基酸在多肽中的手性反轉可以對特異性結合和非特異性膜相互作用產生顯著影響，這也為手性生物傳感和藥物開發應用提供了良好的策略。隨著手性相互作用機制的逐步挖掘和軟納米結構的最新進展，有望在不久的將來開發出具有優異選擇性和高靈敏度的新型納米傳感系統。

文獻鏈接：Soft Nanoarchitectonics for Enantioselective Biosensing（Acc. Chem. Res.， 2020，DOI:10.1021/acs.accounts.9b00612）

本文由木文韜翻譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。