湖南大学谭蔚泓院士J. Am. Chem. Soc.: 三维纳米逻辑机器用于癌细胞表面运算识别
【引言】
细胞表面存在成千上万种受体,他们在细胞的交流、成长、增值和死亡中扮演重要角色,并且可作为疾病诊断、治疗和生物医学工程的生物标志物。近年来,基于分子识别的DNA分子机器领域取得迅猛发展,为癌症的精准诊疗提供了新的分子设计策略与手段。通过集成各分子元器件的纳米机器来识别这些生物标志物,然后运算产生特异的响应信号,可实现癌细胞的精准识别,在人工分子器件和生物医药领域具有巨大潜力。
【成果简介】
近日,湖南大学的谭蔚泓院士和宦双燕教授(共同通讯)团队设计并构建了一种基于核酸适体和DNA三棱柱(TP)的三维纳米逻辑机器。这种纳米级机器可在癌细胞膜表面实现布尔逻辑运算,展现出精准诊疗的潜力。相比于传统的游离于溶液中的线性双链DNA计算系统,这种三维DNA纳米机器集成了所有的逻辑运算单元,当特定细胞类型出现时,运算产生特异的响应信号,大大提升了细胞识别的准确性。这种分子集成设计策略具有广阔的潜力。该成果以题为"Engineering a 3D DNA-Logic Gate Nanomachine for Bispecific Recognition and Computing on Target Cell Surfaces"发表在J. Am. Chem. Soc.上。
【图文导读】
图1.DNA纳米机器的工作原理
图2.三维DNA逻辑纳米机器在溶液中的自组装和动态逻辑运算
(a).基于DNA三棱柱(TP)的纳米逻辑机器链置换示意图;
(b).DNA逻辑TP分步自组装的电泳结果;
(c).DLS结果;
(e).DNA逻辑TP动态行为的活性电泳结果
(f).cS或cF的比例优化
(g). DNA逻辑TP对DNA链置换的荧光变化
图3.线性双链DNA和三维DNA逻辑TP在细胞表面靶向中的区别
(a).线性双链DNA和三维DNA逻辑TP在10%FBS中的稳定性考察;
(b).线性双链DNA和三维DNA逻辑TP在靶细胞表面分子运算的图示;
(c). 流式细胞术对各组的荧光强度分析;
图4.三维DNA逻辑纳米机器用于识别细胞表面
(a).流式细胞术分析;
(b).激光共聚焦成像;
(c).DNA逻辑门运算真值表;
【小结】
在这个工作中,彭瑞资和郑小芳是本文的并列第一作者,他们共同设计和构建了一种基于适配体的三维DNA逻辑门TP纳米机器。这种纳米机器除了在癌症细胞膜表面实现布林逻辑运算,还可以轻易进入细胞内,展现出诊疗的潜力。与基于线性双链DNA相比,这种三维DNA纳米机器集成了所有的逻辑运算单元,当特定细胞类型出现时,运算产生特异的响应信号,大大提升了细胞识别的准确性。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部等部门的科研资助。
(J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10. 1021/jacs.8b04319)
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