三维DNA纳米探针的构建及其对海洋腐蚀微生物原位成像的应用研究

Microbiologically influenced corrrosion (MIC) refers to the influence of microorganisms on the kinetics of corrosion processes of metals, which are widely distributed in various marine environments. In situ image analysis of corrosion related microorganisms play an essential role for marine MIC study, also show a big challenge. Based on this, this project aims to employ three-dimensional DNA nanoprobes as functional elements and microorganism specific gene segment as response elements for in situ image analysis of marine corrosion related microorganisms. In detail, the three-dimensional DNA nanoprobes, conjugated with recognition probe of microorganism specific gene segment, will be first devised. Then, sophisticated programming bases and functional groups modification are introduced to enhance the transmission and identification efficiency of recognition process in microbial body, and thus reveal active mechanism between nanoprobes and microorganisms. Finally, efficiency and accuracy for in situ recognition of nanoprobes are to be verified and corrected, the sensitivity, specificity, stability, reproducibility and other performances are to be systematically evaluated. In situ image analysis of corrosion related microorganisms promise a considerable application in many issues, like single microorganism analysis, multi-microorganisms interaction research, and even complex biofilm analysis in different sea areas. Furthermore, it will provide theoretical basis and scientific guidance for study of corrosion process and monitoring of marine MIC.

微生物腐蚀（MIC）是指微生物生命活动参与下发生的腐蚀过程，在海洋环境中广泛存在。海洋腐蚀微生物的原位成像分析对于MIC机理研究至关重要，也存在巨大挑战。本研究以典型海洋腐蚀微生物为研究对象，旨在构建高效、稳定的三维DNA纳米探针，并完成其对海洋腐蚀微生物原位成像的应用探索。研究拟通过构建新型的三维DNA纳米探针，完成对海洋腐蚀微生物体内基因片段的特异性响应；借助精确的碱基编程及功能化基团修饰，解决纳米探针在微生物体内的稳定性传输及信号响应难题，揭示纳米探针在微生物体内的作用机制；验证并校正纳米探针原位识别的准确性和高效性，评价海洋腐蚀微生物原位成像分析的灵敏度、特异性、稳定性，及重现性等性能。本研究将系统完成三维DNA纳米探针的构建，实现对海洋腐蚀微生物的原位成像应用，揭示腐蚀微生物在海洋工程材料表面的 “时间”、“空间”、“动态”信号变化规律，为深入探索海洋MIC机理提供技术保障。

海洋环境中腐蚀微生物存在广泛且对海洋工程材料危害严重，海洋微生物腐蚀机理（MIC）研究十分迫切。以往，科研人员多采用电化学分析技术或材料表面分析技术来揭示海洋MIC机理，然而，由于微生物动态信息收集技术的缺乏，导致对腐蚀过程中微生物体内的微尺度变化了解十分有限，这也是当前MIC机理研究的重要障碍。因此，着力开发新型精确的腐蚀微生物分析手段，特别是原位分析手段，并应用于海洋MIC机理研究变得尤为重要。本项目针对当前研究空白，以腐蚀微生物体内的16S rRNA特异性基因片段为识别切入靶点，设计并合成多种能够特异性识别目标基因片段的DNA Pom-Pom纳米结构（PP-N）探针、DNA纳米结构与DNA金属纳米簇探针、靶标辅助自组装循环扩增结合DNA-AgNCs/三向DNA结构探针、刚性三角结构纳米探针、CRISPR/Cas12a集成ZIF-90@Ag3AuS2@Fe3O4纳米复合材料信号探针、DNA适体/靶标竞争-Exo I驱动信号分子探针，借助精确的碱基编程及功能化基团修饰对每种探针的识别机制进行了研究，解决了探针在微生物体内的稳定性传输及信号响应难题，并揭示了探针在微生物体内的作用机制；研究采用荧光技术验证并校正了探针原位识别的准确性和高效性，并进一步评估了海洋腐蚀微生物原位成像分析的灵敏度、特异性、稳定性，及重现性等性能。本项目构建了基于三维DNA纳米探针特异性识别微生物体内基因片段，实现了对腐蚀微生物准确、灵敏、原位、多组分成像分析。研究具有较强的科学意义，相关研究结果在SCI期刊发表高水平论文11篇，申请国家发明专利 3 项，授权1项。此外，研究将腐蚀微生物的研究深入到单分子、单细胞水平，这对揭示多维纳米探针对海洋腐蚀微生物原位成像的作用机制意义重大；研究实现了腐蚀过程中微生物种群多样性和动态化跟踪, 为深入探索MIC机理研究提供技术支撑。