基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器技术方案

本发明专利技术属于生物检测技术领域，涉及基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器，由目标物循环单元和多足型DNA步行器单元组成；目标物循环单元中，封闭的多足型DNA步行器能够在燃料链F和目标核酸的共同作用下释放多足型DNA步行器，多足型DNA步行器单元中，封闭的金电极能够在标记DNA和释放的多足型DNA步行器的作用下，释放封闭链B2，从而通过第一电化学信号材料与第二电化学信号材料的电化学信号比的检测，实现目标核酸的超灵敏定量检测。本发明专利技术提供的基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器能够超灵敏地检测核酸。酸。酸。

【技术实现步骤摘要】
基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器


[0001]本专利技术属于生物检测
，涉及基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]DNA步行器通过在预设轨道上自主移动以放大和转换信号，在生物传感应用中显示出巨大的潜力。迄今为止，DNA步行器的步行链数已逐渐从单足发展到双足甚至多足。相比之下，多足型DNA步行器因有着高局部浓度的步行链而具有更好的行走连续性和更高的反应效率。在行走过程中，由生化反应(如链置换、核酸酶辅助的链断裂和水解)引起的吉布斯自由能梯度驱动DNA walker自发地向低能级移动。然而，DNA步行器需要提供核酸酶作为驱动力，酶活性对于DNA步行器的检测效果影响较大。因而需要一种新型无酶等温放大策略应用于即时检测(POCT)设备。

技术实现思路

[0004]与核酸酶提供的驱动力相比，toehold介导的链置换反应(TMSDR)可以在无酶和等温条件下进行，为开发低成本和稳健的POCT装置留下了巨大的空间。作为计算能力强大的DNA纳米技术，TMSDR可以促进动态DNA纳米技术的关键过程，基于TMSDR的传感器自然最适合检测核酸分析物。重要的是如何将TMSDR驱动的动态DNA纳米技术与有效的目标识别和适当的检测方法相结合以输出检测信号。
[0005]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器，该系统集成到比率型电化学生物传感器中，能够超灵敏地检测核酸。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一方面，一种基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器，由目标物循环单元和多足型DNA步行器单元组成；
[0008]所述目标物循环单元，包括多足型DNA步行器、辅助链A1、封闭链B1和燃料链F；多足型DNA步行器，由金纳米颗粒表面连接至少2个步行链W形成，步行链W的一端连接金纳米颗粒；封闭链B1设置W区、A1区和第一toehold区；W区能够与步行链W另一端的DNA片段进行互补；A1区能够与辅助链A1互补；第一toehold区能够与目标核酸杂交，通过链置换反应使得目标核酸置换辅助链A1，同时在封闭链B1的中间部位暴露第二toehold区；燃料链F能够与第二toehold区杂交，通过链置换反应取代步行链W和目标核酸；
[0009]所述多足型DNA步行器单元，包括金电极、辅助链A2、封闭链B2和标记DNA；所述金电极表面连接若干底物链S；底物链S设置B2区、A2区和第三toehold区；B2区能够与封闭链
B2进行互补；A2区能够与辅助链A2互补；第一toehold区能够与步行链W杂交，通过链置换反应使得步行链W另一端的DNA片段置换辅助链A2，同时在底物链S的中间部位暴露第四toehold区；标记DNA能够与第四toehold区杂交，通过链置换反应取代封闭链B2和步行链W另一端的DNA片段；所述封闭链B2的一端连接第一电化学信号材料，封闭链B2与与底物链S杂交后，第一电化学信号材料靠近金电极；所述标记DNA的一端标记第二电化学信号材料；标记DNA与底物链S杂交后，第二电化学信号材料靠近金电极。
[0010]使用时，目标物循环单元中，多足型DNA步行器、辅助链A1和封闭链B1通过互补杂交，形成封闭的多足型DNA步行器，封闭的多足型DNA步行器中每条步行链W均与辅助链A1和封闭链B1互补杂交；封闭的多足型DNA步行器能够在燃料链F和目标核酸的共同作用下释放多足型DNA步行器；
[0011]使用时，多足型DNA步行器单元中，金电极、辅助链A2和封闭链B2通过互补杂交，形成封闭的金电极；封闭的金电极中每条底物链S均与辅助链A2和封闭链B2补杂交；封闭的金电极能够在标记DNA和释放的多足型DNA步行器的作用下，释放封闭链B2，从而通过第一电化学信号材料与第二电化学信号材料的电化学信号比的检测，实现目标核酸的超灵敏定量检测。
[0012]目标物循环单元不仅能够识别目标核酸，还能够动态激活多足型DNA步行器单元，目标物循环单元和多足型DNA步行器单元都由TMSDR驱动，实现了无酶和等温放大。随着激活的多足型DNA步行器在传感器表面的滚动，巧妙地放大双向信号，输出比率型信号，从而实现对目标核酸的检测。
[0013]另一方面，一种上述基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器在核酸检测中的应用。
[0014]第三方面，一种核酸的检测方法，提供上述基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器，包括如下步骤：
[0015]将多足型DNA步行器、辅助链A1、封闭链B1孵育，形成封闭的多足型DNA步行器；
[0016]将金电极、辅助链A2和封闭链B2孵育，形成封闭的金电极；
[0017]将封闭的多足型DNA步行器、燃料链F和待测目标核酸混合反应，将反应后的溶液与标记DNA混合后滴加在封闭的金电极表面，进行孵育，孵育后检测电化学信号。
[0018]第四方面，一种核酸检测试剂盒，包括上述基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器、缓冲溶液。
[0019]本专利技术的有益效果为：
[0020]本专利技术构建了TMSDR驱动的动态DNA纳米系统，动态DNA纳米系统内的目标物循环单元和多足型DNA步行器单元的协同作用，以及比率型读出模式，实现了级联信号放大和对复杂生物样品中目标核酸的超灵敏检测。作为动态DNA纳米系统的驱动力，TMSDR不仅实现了无酶等温放大策略，而且保证了检测的高特异性。通过对目标物循环单元的适当调整，所提出的传感器可以扩展到检测范围广泛的核酸目标物，为各种临床诊断应用提供通用策略。通过PAGE、TEM、UV
‑
vis、Zeta电位等手段充分证实了多足型DNA步行器的成功制备以及方案的可行性。通过电化学测试对传感器的分析性能进行了综合的评估，线性范围为100aM
‑
10pM，检测限低至36.71aM。
[0021]综上，本专利技术提供的TMSDR驱动的动态DNA纳米系统，可以作为新型比率型电化学
生物传感器，用于超灵敏地检测核酸。
附图说明
[0022]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0023]图1为本专利技术实施例的基于多足型DNA步行器的比率型电化学生物传感器用于核酸的无酶检测原理图；(A)目标物识别阶段，(B)信号输出阶段。
[0024]图2为本专利技术实施例的聚丙烯酰胺凝胶电泳图；(A)目标物识别阶段。1,HIV
‑
DNA；2,A1；3,B1；4,F；5,W；6,W/B1；7,W/B1/A1；8,W/B1/A1+HIV<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器，由目标物循环单元和多足型DNA步行器单元组成；所述目标物循环单元，包括多足型DNA步行器、辅助链A1、封闭链B1和燃料链F；多足型DNA步行器，由金纳米颗粒表面连接至少2个步行链W形成，步行链W的一端连接金纳米颗粒；封闭链B1设置W区、A1区和第一toehold区；W区能够与步行链W另一端的DNA片段进行互补；A1区能够与辅助链A1互补；第一toehold区能够与目标核酸杂交，通过链置换反应使得目标核酸置换辅助链A1，同时在封闭链B1的中间部位暴露第二toehold区；燃料链F能够与第二toehold区杂交，通过链置换反应取代步行链W和目标核酸；所述多足型DNA步行器单元，包括金电极、辅助链A2、封闭链B2和标记DNA；所述金电极表面连接若干底物链S；底物链S设置B2区、A2区和第三toehold区；B2区能够与封闭链B2进行互补；A2区能够与辅助链A2互补；第一toehold区能够与步行链W杂交，通过链置换反应使得步行链W另一端的DNA片段置换辅助链A2，同时在底物链S的中间部位暴露第四toehold区；标记DNA能够与第四toehold区杂交，通过链置换反应取代封闭链B2和步行链W另一端的DNA片段；所述封闭链B2的一端连接第一电化学信号材料，封闭链B2与与底物链S杂交后，第一电化学信号材料靠近金电极；所述标记DNA的一端标记第二电化学信号材料；标记DNA与底物链S杂交后，第二电化学信号材料靠近金电极。2.如权利要求1所述的基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器，其特征是，金纳米颗粒与步行链W通过金硫键连接。3.如权利要求1所述的基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器，其特征是，金电极采用巯基己醇封闭。4.如权利要求1所述的基于链置换反应驱动的动态DNA纳米系统的生物传感器，其特征是，所述第一电化学信号材料为二...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱烨，李涛，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：