自由基诱导DNA损伤的石墨烯纳米电化学分析

The biological function of free radicals in the organism so far is ambiguous. On the one hand, free radicals can assist the immune system, mediate cell signaling, and be essential in apoptosis. On the other hand, excess free radicals are responsible for causing DNA oxidative modifications and DNA damage, which can initiate carcinogenesis and may play a role in the development of several age-correlated degenerative diseases. Consequently, measurements and clarification of free radical induced DNA damage is highly required for disease diagnostics, medicinal development, as well as environmental assessment. We will carry out the project by preparation of functional graphene nanomaterials with remarkable-performances to build up highly active and efficient biorecognition electrode interface. Based on the unique self-assembly effect of single strand DNA on graphene surface, we could construct the nano-electrochemical analysis platform with high sensitivity and selectivity. DNA damage induced by radicals will be realized through Feton reaction, and electrochemical detection will be accomplished on the constructed DNA-graphene biosensing scaffold. The current project will propose a fresh strategy for free radical induced DNA damage detection and determination, will explore the interaction between free radicals and genomic fragments, and would be promising to address the significant issues in DNA damage and life science.

自由基广泛存在于生物体内，是生命体多种反应的重要参与物质。近年来的研究表明自由基与生命和疾病具有非常紧密的关系，是DNA损伤的致病因素之一。随着人类社会的发展，越来越多的污染源成为自由基损伤DNA的诱发因子，引发严重的疾病和遗传特征的改变。因此，有关自由基诱导DNA损伤的检测和分析研究在疾病诊断、药物开发以及化学试剂的环境评价方面具有重要的意义和研究价值。本项目采用电化学分析技术建立高灵敏的自由基诱导DNA损伤纳米分析体系，借助新型二维纳米材料石墨烯优良的电化学性能和独特的DNA组装效应构建纳米电化学分析界面，通过Feton反应模拟羟基自由基对目标DNA的损伤，建立高灵敏、高准确率的自由基诱导DNA损伤纳米电化学检测平台。本项目将建立基于石墨烯纳米电化学DNA损伤检测的新方法，有望深入探索自由基对DNA损伤的机制原理，为DNA损伤研究注入新的血液，为有关生命安全和人类健康的研究贡献力量。

本项目以石墨烯纳米材料合成、功能化修饰和电极制备为研究基础，以自由基诱导DNA损伤研究为分析目标开展工作。围绕项目的研究内容和研究目标开展了一系列研究工作，在材料制备和表征方面：采用化学氧化还原方法制备了系列石墨烯复合功能材料，包括聚(二烯丙基二甲基氯化铵)/化学还原石墨烯复合物，纳米金颗粒/还原石墨烯复合物；并利用热裂解法制备多孔石墨烯材料和负载铂颗粒的多孔石墨烯复合材料；采用生物质为合成原料制备了类石墨烯类材料，为石墨烯材料的大量制备和可控合成提供了多元化的研究手段。在DNA损伤分析检测方面：采用链式扩增技术和滚环放大扩增技术构建了高灵敏的电化学传感界面，利用纳米材料与单/双链DNA之间独特的吸附/解析原理及微间隙阵列电极的高通量检测特征，实现了自由基引发的DNA损伤电化学检测分析。本项目针对目前传统检测方法大多只能对DNA损伤后碱基加成产物进行检测的弱点问题，利用生物扩增方法构建纳米电化学传感平台，实现对于完整目标DNA链的分析，克服检测手段需要前处理的难点问题，显著提高了对于DNA损伤的检测灵敏度。在以下两个关键问题上取得了突破：（1）针对目前传统检测方法大多只能对DNA损伤后碱基加成产物进行检测的弱点问题，利用链式扩增反应原理结合电化学分析技术构建了电化学传感平台，实现对于完整目标DNA链的分析，克服检测手段需要前处理的难点问题。可检测52个碱基对的双链多拷贝DNA，电化学检测线性范围15pM-750pM，检测限11.95 pM；(2) 针对电化学方法检测DNA损伤电极易毒化导致灵敏度降低的问题，我们引入了96孔板结构的微间隙阵列电极作为电化学传感界面，利用滚环扩增技术原位制备超长单链DNA，并利用多壁碳纳米管与单/双链DNA特异性的吸附/脱附原理构建电化学传感界面。该方法显著提高了电化学DNA损伤分析的灵敏度，检测限可低至1.04 pM，检测线性范围为2.5 pM-100 pM。本项目研究结果为深入探索自由基对DNA损伤的机制原理提供了大量的实验数据和研究基础。