高效、高集成化的DNA步行者分子机器的设计与应用

As an important step in learning from nature, building artificial molecular machines has attracted more and more public attention. Researches on this field were pushed to a new height since 2016 Nobel Prize in Chemistry was awarded for the design and synthesis of molecular machines. As an important kind of molecular machines, DNA walkers hold wide prospects in the development of bionic machines. However, since corresponding researches are only in the initial phases, there are still lots of issues that need to be resolved, such as low operation efficiency, unsuitability for in vivo applications and so on. This project will focus on the design of novel DNA walkers to improve the operation efficiency of DNA molecular machines and to achieve highly integrated DNA molecular machines. Through these studies, novel DNA walker design principles will be proposed, and highly efficient and highly integrated DNA walkers will be obtained. The proposed DNA walkers will be used in many fields including highly sensitive and specific biosensing, cellular and biological in vivo imaging, thus expanding the application range of this kind of DNA molecular machine from living cells to living biological systems. We hope this project will make a useful contribution to promote the rapid development of DNA molecular machines.

作为人类向大自然学习过程中所迈出的重要一步，人工分子机器的相关研究越来越受到人们的重视，2016年诺贝尔化学奖的颁发更是将这一研究推向了一个新的高度。作为一类重要的分子机器，DNA步行者在仿生研究中显示了广阔的发展和应用前景。但目前有关这方面的研究仅仅处于起步阶段，尚存在运行效率低下、无法应用于生物活体等一系列问题。本项目拟针对这些问题，从如何提高分子机器的运行效率、如何构建高度集成化的DNA分子机器的角度出发，开展新型DNA分子机器的设计与应用研究，在提出新的DNA步行者分子机器设计理念的同时，力争得到运行高效、高度集成化的DNA步行者分子机器，并将其应用于高灵敏度、高特异性的生物传感、细胞及生物活体成像等多个领域，达到将这类分子机器的应用范围从细胞层面推进到活体层面的目的，为推动DNA步行者分子机器的快速发展做出自己的贡献。

作为人类向大自然学习过程中迈出的重要一步，人工分子机器的相关研究越来越受到人们的重视。2016年诺贝尔化学奖的颁发更是将这一研究推向了一个新高度。作为一类重要的分子机器，DNA分子机器在仿生研究中显示了广阔的发展和应用前景。但目前有关这方面的研究仅处于起步阶段，仍有很多问题需要解决，包括：如何合理地把各个部件组装在一起形成一个完整的分子机器，如何让得到的分子机器在生理环境中长期稳定存在，以及如何让分子机器在指定的靶点按照预设的程序高效运行等等。为解决这些问题，本项目围绕高效、高集成化的DNA分子机器的设计及生物学应用开展研究工作，提出了多种新型、高效的DNA分子机器设计方案，并将其成功应用于疾病标志物的高灵敏检测、细胞/活体成像分析和活细胞组装等领域。如：通过将DNA步行者分子机器组装在MnO2纳米片层表面，构建了高度集成化、高生物稳定性的DNA步行者分子机器，并首次实现了DNA步行者分子机器在生物活体内的高效运行，为该类分子机器研究从细胞到活体层面的迈进起到了积极的推动作用；通过将DNA纳米技术与无酶核酸等温信号放大策略联用，构建了多种高效、高生物稳定性的DNA分子机器（包括HCR介导/价态控制的DNA分子机器，CHA介导/价态控制的DNA分子机器，基于DNA纳米灯笼的纳米放大器等），实现了这些分子机器在细胞及活体层面的高效运行；开发了CRISPR/Cas12a反式切割活性的“RESET”效应，构建了多个高灵敏、特异性的生物传感平台，并通过将CRISPR/Cas12a应用于DNA分子机器的设计，构建了高度集成的DNA分子机器，实现了其在细胞影像分析和循环肿瘤细胞捕获等领域的应用。这些研究工作的展开，为DNA分子机器的设计提供了新思路，有利于推动DNA分子机器在生物医学等领域中的应用。