CN112029827A - 一种高效率转换率dna纳米探针结构的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，属于DNA纳米探针技术领域，将回文结构引入到霍利迪连接结构当中，构建无酶高效的信号转换体系，将其转换效率提高至1：3，包括以下步骤：S1、进行单链回文序列的设计；S2、基于霍利迪连接结构的原理，通过理论计算和对比实验考察结构的合成产率及稳定性，设计四条DNA单链A1、S1、S2、S3。该高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，首先DNA体序列具有可编码性，使得该方法可通过根据目标不同设计对应的DNA捕获序列，从而使该方法普遍适用于各种目标分析物；其次，一分子的目标物的输入可转换为三条DNA单链的输出，在分子转换层面可增强检测信号。
Description
技术领域
本发明属于DNA纳米探针技术领域，具体为一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法。
背景技术
近年来，信号转换逐渐成为分析检测中的一种新型的检测模式。这种将目标物检测转换为更容易捕获和识别的物质的测定既有望提高检测的灵敏度又可提升检测的准确性。因此，信号转换模式的检测方法成为了近年来的研究热点。比如，在定量分析蛋白酶时，研究者选取特定的催化底物，在目标蛋白酶的催化作用下，将底物转换为具有电化学活性的催化产物，通过直接测定催化产物的电化学信号来定量目标蛋白酶，从而实现了采用电化学的方法对蛋白酶的测定。在定量分析痕量生物样品中的金属离子或者小分子时，研究者采取适配体作为识别探针，进而将金属离子或者小分析的测定转换为单链DNA的测定。一般来说，这种检测模式都必须借助有效的探针，在合理的转换机制下才能够实现。因此，探针的设计和转换机制的就显得至关重要。
DNA纳米器件是通过简单的碱基编码将DNA的结构控制在纳米尺度的一种新兴的纳米生物器件。目前，国内外已有很多学者设计了一维、二维、三维的多功能的DNA纳米器件，并取得了显著成绩。由于DNA纳米器件具有结构和尺寸大小的可控性，并且易于制备，近年来广泛的应用在生物传感、成像，药物传递等领域。在特定的应用过程中，DNA纳米器件结构的设计显现的尤为重要。上海应用物理研究所樊春海教授课题组为了解决生物传感器中电极表面单链DNA分子探针的空间位阻大的问题，设计了四面体DNA纳米结构作为固载基质，构建了一系列的电化学DNA、免疫、酶传感器。同时，这种DNA四面体纳米结构还可以有效控制DNA生物探针的方向，减少目标分子在电极表面的非特异性吸附，从而进一步改善电化学生物传感器的性能。研究者们还设计合成了多种具有识别作用的DNA纳米器件。一般来说，这类DNA纳米器件可通过特定的目标物的输入引起其构象变化，即目标物诱导DNA纳米结构的改变，从而输出与输入目标物量具有相关性的信号或DNA片段。甘宁教授课题组设计了Y-DNA纳米结构作为探针，一分子的目标物将诱导两条DNA链同时释放，实现了目标DNA的1：2的转换。湖南大学王柯敏教授课题组基于Y-型DNA特殊的结构，通过设计酶特定的剪切序列与特定目标DNA序列不杂交互补的一种Y-型DNA纳米结构，从而可构建了限制性内切酶辅助的目标物循环放大策略，这种方式巧妙地在一个DNA纳米结构中将酶特定的剪切DNA序列和特定的目标DNA序列分布在两段互补的双链DNA中，从而拓展了酶辅助的目标物循环放大策略的应用范围。此外四川大学肖丹教授课题组还将这种Y-型DNA纳米结构进行延伸，从而合成了功能化的树枝状的DNA聚合物。可见，DNA纳米器件的有效设计和利用能够解决生物传感领域中的诸多问题。
在前期的信号转换策略的构建中，为了改变探针：目标物：信号的比例为1：1：1的传统检测模式，设计了信号转换和酶放大策略，然而该方法中转换效率受到空间为阻和酶活性的限制，进一步为了避免这些问题，我们设计了一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，将回文结构引入到霍利迪连接结构当中，构建无酶高效的信号转换体系，将其转换效率提高至1：3，包括以下步骤：
S1、进行单链回文序列的设计，回文序列的单链按5'到3'读取的序列与其互补链上按相同的5'到3'读取的序列一致，存在对称中心，对称中心两侧碱基关于该对称中心对称，可形成互补，对碱基的类别进行选择，并对碱基数量进行优化；
S2、基于霍利迪连接结构的原理，通过理论计算和对比实验考察结构的合成产率及稳定性，设计四条DNA单链A1、S1、S2、S3，其中A1的序列中含目标物的适体或者目标DNA的互补序列，S1、S2、S3的部分序列为所设计的回文序列，互补形成稳定的霍利迪连纳米结构，并通过实验条件的优化以及结构的表征；
S3、转换目标物选用pb2+，Au@Fe3O4表面固载所设计的+DNA纳米探针中对pb2+有响应的的DNA序列将会pb2+发生反应，从而使DNA纳米探针发生构象变化，释放出三条有部分序列相同的DNA单链S1、S2、S3，从而将pb2+的测定转换为DNA单链的测定；
S4、将释放出来的三条DNA作为引发链，与发夹DNA反应，可以触发HCR反应，并于凝胶电泳进行表征。
进一步优化本技术方案，所述S1中，在进行设计时，由于回文序列很容易形成发夹结构，但是将回文序列应用到DNA纳米探针并进一步用于信号转换时，回文序列在一定的实验条件下是一条直连，利用NUPACK计算，改变碱基的类别和数量，根据热力学数据，设计一条直连的单链回文序列。
进一步优化本技术方案，所述S2中，为了保证能够形成霍利迪连接结构，A1与S1和S3有4-6个碱基的互补序列，S2与S1和S3有4-6个碱基的互补序列，当四条DNA链同时存在时，它们之间的互补形成稳定的霍利迪连纳米结构。
进一步优化本技术方案，所述S2中，通过理论计算和对比实验考察结构的合成产率及稳定性，将A1的一端标记有巯基，可通过Au-S键的作用，可以将所设计纳米探针固载到Au@Fe3O4上，以便后续反应中所涉及的磁性分离。通过丙烯酰胺凝胶电泳分析、原子力显微镜、投射电镜等手段，对DNA纳米探针进行表征。
进一步优化本技术方案，所述S2中，实验条件包括通过丙烯酰胺凝胶电泳分析、原子力显微镜、投射电镜等手段，对DNA纳米探针进行表征。
进一步优化本技术方案，所述S4中，需要利用到投射电镜、红外光谱仪、紫外光谱仪、振动样品磁强计表征纳米探针固载到磁珠表面的情况，其次利用聚丙烯酰胺凝胶电泳、圆二色谱和紫外光谱仪考察纳米探针发生构想变化的情况，最后结合丙烯酰胺凝胶电泳、电化学测试、荧光测试等技术考察所制备的探针的转换效率。
与现有技术相比，本发明提供了一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，具备以下有益效果：
1、该高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，通过设计A1、S2分别与S1、S3只有有4-6个碱基的互补序列，避免在常温下四条DNA两两之间生成出目标结构外的二级结构，由于序列中包含的有单链的回文序列，避免单链形成二级结构，常温下呈单链的输出DNA从而提高目标转换策略的转换效率，将所设计的纳米探针固载到Au@Fe3O4磁珠上，为在探针制备和转换时的分离提供方便，从而降低实验的误差。
2、该高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，首先捕获pb2+适配体序列具有可编码性，使得该方法可通过根据目标不同设计对应的DNA捕获序列，从而使该方法普遍适用于各种目标分析物；其次，一分子的目标物的输入可转换为三条DNA单链的输出，在分子转换层面可增强检测信号。
附图说明
图1为本发明提出的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法的设计流程图；
图2为本发明提出的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法的回文序列杂交结构示意图；
图3为本发明提出的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法的霍利迪连接探针形成过程示意图；
图4为本发明提出的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法的信号转换以及检测的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
请参阅图1，一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，将回文结构引入到霍利迪连接结构当中，构建无酶高效的信号转换体系，将其转换效率提高至1：3，包括以下步骤：
S1、进行单链回文序列的设计，请参阅图2，回文序列的单链按5'到3'读取的序列与其互补链上按相同的5'到3'读取的序列一致，存在对称中心，对称中心两侧碱基关于该对称中心对称，可形成互补，对碱基的类别进行选择，并对碱基数量进行优化，在进行设计时，由于回文序列很容易形成发夹结构，但是将回文序列应用到DNA纳米探针并进一步用于信号转换时，回文序列在一定的实验条件下是一条直连，利用NUPACK计算，改变碱基的类别和数量，根据热力学数据，设计一条直连的单链回文序列；
S2、基于霍利迪连接结构的原理，通过理论计算和对比实验考察结构的合成产率及稳定性，请参阅图3，设计四条DNA单链A1、S1、S2、S3，其中A1的序列中含目标物的适体或者目标DNA的互补序列，S1、S2、S3的部分序列为所设计的回文序列，为了保证能够形成霍利迪连接结构，A1与S1和S3有4-6个碱基的互补序列，S2与S1和S3有4-6个碱基的互补序列，当四条DNA链同时存在时，它们之间的互补形成稳定的霍利迪连纳米结构，通过理论计算和对比实验考察结构的合成产率及稳定性，将A1的一端标记有巯基，可通过Au-S键的作用，可以将所设计纳米探针固载到Au@Fe3O4上，以便后续反应中所涉及的磁性分离。通过丙烯酰胺凝胶电泳分析、原子力显微镜、投射电镜等手段，对DNA纳米探针进行表征；
S3、转换目标物选用pb2+，Au@Fe3O4表面固载所设计的+DNA纳米探针中对pb2+有响应的的DNA序列将会pb2+发生反应，从而使DNA纳米探针发生构象变化，释放出三条有部分序列相同的DNA单链S1、S2、S3，从而将pb2+的测定转换为DNA单链的测定；
S4、请参阅图4，将释放出来的三条DNA作为引发链，与发夹DNA反应，可以触发HCR反应，并于凝胶电泳进行表征。
具体的，所述S2中，实验条件包括通过丙烯酰胺凝胶电泳分析、原子力显微镜、投射电镜等手段，对DNA纳米探针进行表征。
具体的，所述S4中，需要利用到投射电镜、红外光谱仪、紫外光谱仪、振动样品磁强计表征纳米探针固载到磁珠表面的情况，其次利用聚丙烯酰胺凝胶电泳、圆二色谱和紫外光谱仪考察纳米探针发生构想变化的情况，最后结合丙烯酰胺凝胶电泳、电化学测试、荧光测试等技术考察所制备的探针的转换效率。
实施例的试验结果表明：
1、该高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，通过设计A1、S2分别与S1、S3只有4-6个碱基的互补序列，避免在常温下四条DNA两两之间生成出目标结构外的二级结构，由于优化了回文序列的碱基个数，避免单链形成二级结构，常温下呈单链的输出DNA从而提高目标转换策略的转换效率，将所设计的纳米探针固载到Au@Fe3O4磁珠上，为在探针制备和转换时的分离提供方便，从而降低实验的误差。
2、该高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，首先捕获pb2+适配体序列具有可编码性，使得该方法可通过根据目标不同设计对应的DNA捕获序列，从而使该方法普遍适用于各种目标分析物；其次，一分子的目标物的输入可转换为三条DNA单链的输出，在分子转换层面可增强检测信号。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，将回文结构引入到霍利迪连接结构当中，构建无酶高效的信号转换体系，将其转换效率提高至1：3，其特征在于，包括以下步骤：
S1、进行单链回文序列的设计，回文序列的单链按5'到3'读取的序列与其互补链上按相同的5'到3'读取的序列一致，存在对称中心，对称中心两侧碱基关于该对称中心对称，可形成互补，对碱基的类别进行选择，并对碱基数量进行优化；
S2、基于霍利迪连接结构的原理，通过理论计算和对比实验考察结构的合成产率及稳定性，设计四条DNA单链A1、S1、S2、S3，其中A1的序列中含目标物的适体或者目标DNA的互补序列，S1、S2、S3的部分序列为所设计的回文序列，互补形成稳定的霍利迪连纳米结构，并通过实验条件的优化以及结构的表征；
S3、转换目标物选用pb2+，Au@Fe3O4表面固载所设计的+DNA纳米探针中对pb2+有响应的的DNA序列将会pb2+发生反应，从而使DNA纳米探针发生构象变化，释放出三条有部分序列相同的DNA单链S1、S2、S3，从而将pb2+的测定转换为DNA单链的测定；
S4、将释放出来的三条DNA作为引发链，与发夹DNA反应，可以触发HCR反应，并于凝胶电泳进行表征。
2.根据权利要求1所述的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，其特征在于，所述S1中，在进行设计时，由于回文序列很容易形成发夹结构，但是将回文序列应用到DNA纳米探针并进一步用于信号转换时，回文序列在一定的实验条件下是一条直连，利用NUPACK计算，改变碱基的类别和数量，根据热力学数据，设计一条直连的单链回文序列。
3.根据权利要求1所述的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，其特征在于，所述S2中，为了保证能够形成霍利迪连接结构，A1与S1和S3有4-6个碱基的互补序列，S2与S1和S3有4-6个碱基的互补序列，当四条DNA链同时存在时，它们之间的互补形成稳定的霍利迪连纳米结构。
4.根据权利要求1所述的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，其特征在于，所述S2中，通过理论计算和对比实验考察结构的合成产率及稳定性，将A1的一端标记有巯基，可通过Au-S键的作用，可以将所设计纳米探针固载到Au@Fe3O4上，以便后续反应中所涉及的磁性分离。通过丙烯酰胺凝胶电泳分析、原子力显微镜、投射电镜等手段，对DNA纳米探针进行表征。
5.根据权利要求1所述的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，其特征在于，所述S2中，实验条件包括通过丙烯酰胺凝胶电泳分析、原子力显微镜、投射电镜等手段，对DNA纳米探针进行表征。
6.根据权利要求1所述的一种高效率转换率DNA纳米探针结构的设计方法，其特征在于，所述S4中，需要利用到投射电镜、红外光谱仪、紫外光谱仪、振动样品磁强计表征纳米探针固载到磁珠表面的情况，其次利用聚丙烯酰胺凝胶电泳、圆二色谱和紫外光谱仪考察纳米探针发生构想变化的情况，最后结合丙烯酰胺凝胶电泳、电化学测试、荧光测试等技术考察所制备的探针的转换效率。
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| CN202010923693.7A CN112029827A (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 一种高效率转换率dna纳米探针结构的设计方法 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010923693.7A Pending CN112029827A (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 一种高效率转换率dna纳米探针结构的设计方法 |
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Citations (2)
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| AU2011202896A1 (en) * | 2004-06-01 | 2011-07-07 | Abbott Diagnostics Scarborough, Inc. | Recombinase Polymerase Amplification |
| US20160083785A1 (en) * | 2012-06-18 | 2016-03-24 | Speedx Pty Ltd | Target detection and signal amplification |
-
2020
- 2020-09-04 CN CN202010923693.7A patent/CN112029827A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2011202896A1 (en) * | 2004-06-01 | 2011-07-07 | Abbott Diagnostics Scarborough, Inc. | Recombinase Polymerase Amplification |
| US20160083785A1 (en) * | 2012-06-18 | 2016-03-24 | Speedx Pty Ltd | Target detection and signal amplification |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| TIMOTHÉE LIONNET等: "DNA mechanics as a tool to probe helicase and translocase activity" * |
| ZHEHAN YANG等: "A universal converting strategy based on target-induced DNA nanoprobe conformational change for lead (II) ion assay" * |
| 洪璐: "信号放大的电化学DNA传感器的制备及应用" * |
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