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【编委专辑】天津大学张立兵教授:RNA切割型脱氧核酶功能化纳米材料荧光生物传感研究进展
引用本文张宏艳,张瑞中,张立兵. RNA切割型脱氧核酶功能化纳米材料荧光生物传感研究进展[J]. 化学试剂,202345(6)35-43.

DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0108
张立兵

《化学试剂》编委


     

天津大学理学院化学系教授,在中科院长春应化所获得博士学位,随后在美国亚利桑那州立大学和加拿大多伦多大学做博士后研究,主要研究领域为生物分子探针设计与功能调控及生物传感体系的构建,应用于蛋白、核酸等疾病标志物的高灵敏分析检测、分子精准传递和成像等方面的研究工作,目前已在相关领域期刊发表高水平学术论文60余篇,引用3700余次,H-index32,包括Nat. Commun.Angew. Chem. Int. Ed.J. Am. Chem. Soc.Nano Lett.Adv. Mater.ACS NanoNano TodayChem. Sci.Anal. Chem.等国际著名学术期刊,获中国科学院院长优秀奖等奖项




背景介绍

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脱氧核酶(DNAzyme)的发现丰富了人类对酶的认识,打开了DNA催化的大门。目前已筛选得到了具有多种催化性能的脱氧核酶,如DNA/RNA切割、DNA/RNA连接、卟啉金属化以及DNA磷酸化等。其中,具有RNA切割功能的脱氧核酶由于具有特异性强、可编程性高及易于合成修饰的特性,已在生物传感领域得到了广泛的发展,但易受核酸酶降解、胞内传输效率低等问题限制了其在体内的应用。纳米材料尺寸小、比表面积大及生物相容性好,在生物领域展现出了出色的应用前景,RNA切割型脱氧核酶与纳米材料的结合为解决上述问题提供了新思路。




文章亮点


1

重点讨论了基于RNA切割型脱氧核酶功能化纳米材料的荧光传感器在体内和体外检测重要生物分子的最新应用

2

总结了RNA切割型脱氧核酶功能化纳米材料的常见功能化策略,并就此类传感器的开发所面临的挑战和未来发展方向进行了展望。

内容介绍








1

RCD功能化纳米材料的功能化策略



为构建基于RCD功能化纳米材料的荧光传感器,已发展了多种组装策略,包括共价和非共价的功能化策略。

1.1  共价功能化策略

1.1.1  -硫键

-硫键是RCD功能化金纳米材料的主要功能化策略。

1.1.2 酰胺键

酰胺键也是最通用的RCD的功能化纳米材料策略之一。

1.2  非共价功能化策略

1.2.1  生物素-链霉亲和素作用

生物素(Biotin)主要提取于含量较高的卵黄和肝组织,其分子中有两个环状结构,为咪唑酮环和噻吩环。

1.2.2 静电作用

作为一种核酸分子,RCD分子带负电。因此,依赖于电荷和疏水性的静电相互作用也被用于功能化。

2

RCD功能化纳米材料的荧光生物传感应用

2.1  金属离子
鉴于RCD对金属离子的依赖性,金属离子的检测理所应当地成为基于RCD的生物传感的重要部分。

2.2  核酸分子

核酸分子在遗传信息的储存、蛋白质表达等过程中发挥重要作用。刺激响应性传感器通过引入对光或肿瘤微环境(弱酸性、氧化还原失调及酶的过表达等)响应的DNA纳米开关(I motifsDNA镊子等)或纳米材料(ZIF-8、氧化锌等),以实现对核酸分子的时空精准可控成像。

1  RCD功能化纳米材料用于核酸分子的检测和成像[11,14]
Fig.1  RNA-cleaving DNAzyme functionalizednanomaterials for detection and imaging of nucleic acid[11,14]

2.3  蛋白质

蛋白质作为细胞的重要组成部分,参与细胞内多种生物过程,维持有机体的正常活动。

2  RCD功能化金纳米颗粒用于端粒酶的检测和成像[45]
Fig.2  RNA-cleaving DNAzymefunctionalized gold nanoparticles for detection and imaging of telomerase[45]
2.4  食品污染物
食源性疾病严重影响人类健康,威胁公共安全。致病菌污染对食品安全、水质等构成严重威胁,其不仅造成严重的疾病和死亡,而且产生了巨大的经济负担。
2.5  其他小分子物质
三磷酸腺苷(ATP)作为能量的直接来源,参与多种生物过程。研究证明,由于葡萄糖代谢的增加,肿瘤细胞中ATP的表达水平高于正常细胞,因此ATP已成为一种潜在的癌症标志物

3  RCD功能化二氧化锰用于ATP的检测和成像[3]
Fig.3  RNA-cleaving DNAzymefunctionalized MnO2 for detection and imaging of ATP[3]


3

结论与展望



本文综述了RNA切割型脱氧核酶功能化纳米材料的常用功能化策略及其荧光生物传感应用,重点介绍了其在金属离子、核酸分子、蛋白质、食品污染物及一些小分子物质的检测和成像方面的最新进展。鉴于RCD的优异性能,基于RCD功能化纳米材料的荧光传感器仍是未来重要的开发方向。但纳米材料的生物毒性、RCD内源性辅助因子不足等问题依旧是急需考虑和解决问题,除此之外,考虑到目标物分布范围的广泛性,未来应开发更多内/外源性刺激响应的荧光传感器,用于高效、精准的生物传感。


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