DNA水凝胶-电纺纳米纤维复合材料制备及其在核酸传感中的应用

The sensitive and selective detection of nucleic acids is important in clinical diagnosis, genetic analysis, environmental monitoring, and biological antiterrorism. In this project, we will integrate for the first time the DNA hydrogel and the electrospun nanofibers to fabricate the DNA hydrogel-electrospun nanofiber composite material. Based on this new composite material, we will develop a nucleic acid sensing platform with high sensitivity and selectivity for tumors and hereditary diseases-related specific nucleotide sequences. The constructed sensing platform for nucleic acids combines the advantages of easy functionalization and good designability of DNA hydrogel and the large surface area-to-volume ratio of electrospun nanofibers. This project will provide a new route for the application of DNA hydrogel and electrospun nanofibers in biosensing, and a promising strategy for highly sensitive detection of specific nucleotide sequences in biological samples.

构建高灵敏和高选择性的核酸传感平台在临床诊断、遗传分析、环境监测和生物反恐等领域具有重要意义。本项目首次提出将DNA水凝胶和电纺纳米纤维整合制备一种新型DNA水凝胶-电纺纳米纤维复合新材料，研究DNA水凝胶-电纺纳米纤维复合材料作为新型传感材料的传感机制及规律，据此发展和建立面向肿瘤和遗传疾病相关核酸序列的高灵敏、高选择性的分析检测新方法，并拓展新方法在疾病诊断和遗传分析等领域中的应用。本项目充分结合了DNA水凝胶易于功能化、可操控性强与电纺纳米纤维易于制备、高比表面积等优势，将拓展DNA水凝胶材料和电纺纳米纤维材料在生物传感领域中的应用，并有望实现实际样品中肿瘤与遗传疾病相关特定核酸序列的分析检测。

本项目发展了掩蔽法和协同-掩蔽法单核苷酸突变（SNM）区分策略，并构建了简单、稳健且具有高特异性的SNM区分体系；基于非线性杂交链式反应（HCR）自组装DNA树枝状分子纳米材料，据此构建了高灵敏度、高选择性石英晶体微天平（QCM）和荧光生物传感平台。主要进展如下：1、高特异性单核苷酸突变区分体系构建及其分析应用。1）提出了掩蔽辅助分子信标策略，据此发展了一种超高特异性SNM区分方法。该SNM区分体系显著提高了分子信标与目标序列杂交的特异性。区分方法对DNA模型序列中间位点处全部20种SNMs的区分因子中位数可达117。2）将协同性与掩蔽法的优势相结合提出了双重区分策略，据此构建了超高特异性的协同-掩蔽SNM区分体系。体系对模型序列中间位点处全部12种单碱基替换的区分因子中位数可达194。基于以上发展的两种SNM区分策略分别构建的SNM区分体系在很宽的条件范围内具有稳健性，且很容易与PCR技术结合应用于低丰度KRAS G12D（c.35G>A）和G12V（c.35G>T）突变基因片段的检测。2、DNA树枝状分子纳米材料自组装及其在生物传感中的分析应用。将基于非线性杂交链式反应（HCR）自组装的DNA树枝状大分子与核酸修饰的链霉亲和素（SA）交联制备得到DNA树枝状大分子–SA纳米复合物，据此发展了增强型石英晶体微天平（QCM）核酸传感平台。对KRAS基因片段的检测限为62 pmol/L。将DNA树枝状大分子–SA纳米复合物与核酸适配体和嵌入式染料结合，制备了具有高特异性及高荧光强度的荧光探针作为信号放大因子，并构建了荧光细胞传感平台。该体系对HeLa细胞的检测限为4400 cells/mL。本项目发展的多种SNM区分体系及生物传感平台的构建及传感过程简单，成本低，不需要复杂的分离过程及酶反应，在医学临床诊断等领域具有潜在应用价值。