收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

功能化G-四链体在生物传感和逻辑运算中的应用研究

王双  
【摘要】:DNA,又称脱氧核糖核酸,是一种重要的生命基础分子,广泛存在于大多数植物,动物细胞,微生物和生物体内。DNA碱基不同的排序组成不同的遗传指令,以引导生物遗传、生物发育与生命机能运作。随着科学研究的发展,DNA的作用和功能远远超出了人们最初发现这种遗传物质时的认识。由于DNA具有特异性识别能力、可预测性、可程序化和结构多态性等优点,被视为最有潜力的材料之一,广泛应用于特定目标的识别、复杂纳米结构和DNA分子机器的构建、数据存储、逻辑运算等。本论文利用DNA G-四链体作为主要的工作单元,构筑传感界面,改变荧光染料所处的微环境,探究其与其它发光物质如染料和银纳米簇等之间信号传导机制,并基于以上新发现构建一系列传感器和执行一系列逻辑运算功能。具体内容如下:1.我们通过层层组装的策略构筑传感表面,利用G-四链体(G4)形成过程中的结构变化实现Pb2+传感。以聚乙烯亚胺和聚胸腺核酸作为中介将富含鸟嘌呤的核苷酸连接在双偏振极化干涉仪(DPI)芯片表面,从而构筑传感界面;再利用铅离子与富含鸟嘌呤的DNA的特异性结合,引发DNA链的构象由单链变为四链体;DPI可实时记录这一构象变化过程,从而构建了一个简单、灵敏、特异和无标记的铅离子传感器。此方法简单、且不需要合成复杂的纳米材料,不仅为我们检测其它离子提供了简单灵敏的新方法,而且可用于探索DNA与其它分子的相互作用。2.我们利用DNA四面体探针构筑DPI传感界面,实时无标记探究G-四链体的形成过程,并基于过程中构象变化构建了传感器。DNA四面体功能化的传感平台不仅具有高的重现性和再生能力,而且四面体对探针的定向固定能够显著降低空间位阻效应,从而提高Pb2+探针的可获得性。通过对G-四链体整个形成过程的实时监控,我们推测捕获探针开始以随意螺旋的形态站立在传感表面,然后通过氢键和Pb2+结合形成初步稳定的G-四分体,最后通过相对缓慢的链重排形成完全折叠的、稳定的G-四链体。基于以上研究,我们发展了一个新颖的传感平台,用于Pb2+及其螯合剂EDTA的高灵敏检测。这一研究不仅为四链体相关的药物的筛选和其它受体-配体相互作用奠定了基础,同时为传感应用提供新方法。3.基于G-四链体与单链、双链构象之间转变过程中结构信号的变化,首次构建了无标记逻辑门。双偏振极化干涉仪(DPI)被用于揭露多因子生物分子相互作用过程中详细的构象变化,这也是DPI作为逻辑门检测工具的第一次尝试。借助于此体系的优势,利用密度输出信号与多因子输入之间的关系可以模拟OR、INHIBIT、IDENTITY逻辑门,并实现了 INHIBIT-OR逻辑线路级联。除此以外,具有逻辑严谨性的DPI信号能够清楚地区别构象的多态性并比较结构的稳定性。这一研究为构建无标记逻辑门提供了新思路,同时补充了反应细节的不足,拓展了DPI在逻辑运算中的应用。4.通过探究G-四链体与荧光染料之间的相互作用,我们构建了一个简单且多功能的平台。此平台将劈开的G-四链体和荧光基团整合在同一个分子信标中,荧光基团靠近G-四链体/血红素复合物时就会产生光诱导电子转移。同时将破坏G-四链体诱导荧光打开型策略和光诱导电子转移特性用于构建逻辑门。仅以此平台作为工作单元和单链DNA为输入,成功实现了一系列二进制逻辑门(如OR,INHIBIT,AND和XOR)、级联逻辑门(INHIBIT-OR),甚至可识别十以内三的倍数。这一平台的重置功能可通过交替地引入阻断和释放链得以实现。除此以外,此平台能够在生物基质中稳定准确地执行逻辑运算。因此,该通用平台为实现复杂的逻辑运算和生物计算机奠定了基础,也为目标物检测提供了新的方法。5.我们首先将催化发卡自组装(CHA)和滚环放大(RCA)整合到电化学生物传感器中,利用G-四链体电化学信号放大功能灵敏特异地检测miR-21。我们通过改变电极电位实现了电极表面探针的密度和构象的调控,这一方法简单有效地克服固-液界面上探针的可获得性问题,显著提高了 CHA的效率及整个传感器的灵敏度。此miR-21传感器的线性范围为5 fM-125 pM,检测限低达13.5 fM。此研究为miRNA的高灵敏检测提供了一种稳定有效的方法,并为相关疾病的诊断与治疗奠定基础。6.我们在探索G-四链体与荧光探针相互作用过程中,意外地发现双链连接在G-四链体一端能够明显增强G-四链体/结晶紫荧光。利用圆二色、荧光光谱和密度泛函理论计算证实其荧光增强机制为:“拥有双链屋顶的G-四链体纳米房子”可限制结晶紫的分子内扭转电荷转移(TICT),从而增强其荧光发射。我们系统地研究了序列长度和碱基类型对荧光增强的影响,结果显示,大于16个碱基的DNA序列和嘌呤碱基如A和G对结晶紫的荧光发射有更明显的增强。这一新现象也被用于目标核酸的检测,且检测具有较高的灵敏度,良好的特异性和生物兼容性。该研究为增强荧光染料的荧光发射提供了一种新的方法,同时也为生物分析和生物成像提供了新的信号传导策略。7.通过研究银纳米簇和G-四链体/结晶紫之间的相互作用,我们发现新的信号传导机制,并基于此首次建立了 DNA雷达。在该DNA雷达中,银纳米簇(AgNCs)作为雷达发射机,连接AgNCs和G-四链体之间的DNA桥作为电磁波,G-四链体/结晶紫复合物(G4/CV)作为雷达天线。当目标DNA遇到电磁波时,雷达天线G4/CV接收到此信号,通过亮起的荧光暴露目标DNA的位置。工作中,G4作为合适的模板连接AgNCs和另一发光基团结晶紫,丰富的G碱基序列不仅能够增强AgNCs的荧光,还能为结晶紫提供强有力的结合位点。同时,中间单链桥的杂交行为恰好产生相反的荧光响应,减弱AgNCs的荧光,增强G4/CV荧光,这一特性赋予了此DNA雷达比率传感功能。此DNA雷达模型还能够实现逻辑线路级联、1到2解码器的构建,以及目标DNA的比率传感。这一体系也可以用于生物基质中的DNA检测,为疾病的诊断和治疗奠定基础。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前15条
1 高娟;袁谷;徐明;;G-四链体结构的检测、功能及调控[J];生理科学进展;2014年05期
2 吉妍娟;陈兴来;刘晶华;;研究G-四链体与其配体相互作用的技术方法概述[J];浙江化工;2013年06期
3 孔德明;杨薇;;G-四链体的构型、热稳定性测试及其在钾离子定量检测中的应用[J];化学通报;2010年05期
4 殷菲,刘建辉,彭孝军;以G-四链体为靶点的小分子端粒酶抑制剂研究进展[J];化学通报;2004年04期
5 孙红霞;向俊锋;张亚周;徐广智;徐樑华;唐亚林;;光谱法研究G-四链体与亚甲蓝的相互作用[J];科学通报;2006年09期
6 井汇源;孙彦婷;张艳;董望;;G-四链体及其配体在病毒复制中的功能研究进展[J];中国预防兽医学报;2019年11期
7 常天俊;李刚;李卫国;;G-四链体核酸的生物学功能[J];生命的化学;2014年03期
8 段娜娜;王娜;杨薇;孔德明;;利用对G-四链体环部的构型调节进行传感器的设计[J];分析化学;2014年10期
9 覃江克;杨政敏;兰文丽;唐煌;苏桂发;高石花;;口占吨酮衍生物的合成及与G-四链体作用的研究[J];广西师范大学学报(自然科学版);2009年04期
10 郭晓强;;G-四链体:核酸的“新”结构[J];生命的化学;2014年04期
11 张弛;吴伟彬;卢宇靖;古练权;黄志纾;;吲哚并喹啉衍生物与G-四链体相互作用的分子模拟研究[J];化学学报;2008年08期
12 张兰青;;铰链体断裂失效分析[J];机电技术;2008年02期
13 王英辉;节家龙;赵红梅;白羽;秦佩萱;宋迪;;实验与理论研究G-四链体中鸟嘌呤自由基阳离子脱质子反应[J];化学学报;2018年06期
14 Hui-Yun Liu;Qi Zhao;Tian-Peng Zhang;Yue Wu;Yun-Xia Xiong;Shi-Ke Wang;Yuan-Long Ge;Jin-Hui He;Peng Lv;欧田苗;Jia-Heng Tan;Ding Li;Lian-Quan Gu;Jian Ren;赵勇;黄志纾;;构象选择性抗体研究基因组及人端粒平行型G-四链体的存在情况[J];科学新闻;2017年04期
15 刘长东;朱广;;利用液体核磁共振技术解析核酸四链体结构(英文)[J];波谱学杂志;2015年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 许翠霞;刘柳宜;覃志峰;计亮年;毛宗万;;使用电子顺磁共振技术研究铂配合物与G-四链体复合物的结构信息[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第七分会:无机化学前沿[C];2016年
2 黄志纾;欧田苗;谭嘉恒;李丁;古练权;;核酸G-四链体结构在基因转录调控中的作用和机制[A];中国化学会第28届学术年会第3分会场摘要集[C];2012年
3 陈相;巢晖;计亮年;;靶向端粒G-四链体的钌(Ⅱ)配合物研究[A];第八届全国化学生物学学术会议论文摘要集[C];2013年
4 张虹;向俊锋;胡海宇;陈传峰;唐亚林;;新型剪刀形G-四链体稳定剂的结构设计、作用模式及抗肿瘤活性研究[A];中国化学会第26届学术年会化学生物分会场论文集[C];2008年
5 谭嘉恒;黄志纾;;特异性G-四链体荧光探针的开发与应用[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十八分会:化学生物学[C];2016年
6 高尚;曹艳伟;国新华;;电喷雾质谱研究高浓度下单分子G-四链体堆积和构型转化[A];中国化学会第二届全国质谱分析学术报告会会议摘要集[C];2015年
7 欧田苗;谭嘉恒;古练权;黄志纾;;G-四链体在基因转录中的调控作用及其机制研究[A];2011年全国药物化学学术会议——药物的源头创新论文摘要集[C];2011年
8 李骞;唐亚林;;靶向G-四链体的抗肿瘤药物智能在线筛选及评价平台[A];2012年中国药学大会暨第十二届中国药师周论文集[C];2012年
9 杨千帆;向俊峰;孙姝娜;唐亚林;周秋菊;杨舒;徐广智;闫文鹏;;菁染料超分子体系识别人体端粒G-四链体:溶液与界面研究[A];中国化学会第26届学术年会分析化学分会场论文集[C];2008年
10 陈硕斌;黄志纾;谭嘉恒;;G-四链体精准检测探针的发现[A];第十届全国化学生物学学术会议报告摘要集[C];2017年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王双;功能化G-四链体在生物传感和逻辑运算中的应用研究[D];中国科学技术大学;2019年
2 陈玉琪;G四链体荧光探针和pH调控的DNAzyme的设计及应用[D];武汉大学;2017年
3 高亚婷;若干小分子对大分子构象影响的研究[D];中国科学技术大学;2018年
4 高尚;G-四链体结构的质谱光谱性质研究[D];吉林大学;2016年
5 郝润;几种原小檗碱类生物碱与G-四链体结构相互作用的研究[D];北京工业大学;2014年
6 黄静;苯并咪唑对G四链体的调控和抗癌活性研究及可视化方法检测G四链体[D];武汉大学;2010年
7 李明辉;G-四链体的三维结构及其与小分子相互作用的理论研究[D];吉林大学;2010年
8 刘婷婷;基于G-四链体为靶点的五种民族药用植物有效成分筛选和研究[D];中央民族大学;2016年
9 章丹;基于不同DNA序列形成的G-四链体结构无标记检测多种金属离子[D];武汉大学;2011年
10 罗旭健;靶向端粒G-四链体DNA的抗肿瘤铂化合物的合成、表征及其作用机理研究[D];中南大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张晓;HOXC10启动子区域G-四链体结构的鉴定及功能的研究[D];东北林业大学;2019年
2 盖芳芳;植物G-四链体大数据比较分析及数据库构建[D];山东农业大学;2019年
3 龚博闻;伪狂犬病毒G_2-四链体可形成序列分布分析与功能探索[D];华中农业大学;2019年
4 张冉;不对称阳离子卟啉用作新型G-四链体探针以及癌细胞靶标成像[D];天津大学;2018年
5 丁婕琴;基于c-MYC G-四链体结构发现高选择性探针及其动力学机识别制研究[D];华中农业大学;2018年
6 孙鑫;靶向核酸高级结构的荧光探针设计合成及应用研究[D];华北理工大学;2018年
7 李子奇;选择性结合双倍体G-四链体DNA的化合物的合成与活性研究[D];南方医科大学;2018年
8 曾智萍;芳烃钌化合物的抗肿瘤作用机制研究[D];广东药科大学;2018年
9 李盈舟;BAP1基因启动子区G-四链体的结构鉴定及其对基因表达调控的研究[D];东北林业大学;2018年
10 王展;基于G-四链体探针的蛋白质生物传感研究[D];南京邮电大学;2018年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 周祺 译;链体艺术:爱的悖论怎么说?[N];中国黄金报;2007年
2 记者 史晓陵 董俊;盈彬大自然木业通过FSC/COC认证[N];中国建材报;2007年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978