核酸被認(rèn)為是生命的最基本物質(zhì)之一。基于其分子識(shí)別和自組裝功能，以及優(yōu)異的可編程性、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，核酸可以通過精確組裝構(gòu)建出多種智能化分子機(jī)器，在生物傳感、生物成像、智能藥物、納米診療等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，進(jìn)而打開物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、乃至工程學(xué)等多學(xué)科交融發(fā)展的突破口。近日，青島科技大學(xué)化學(xué)院周宏教授、何鵬副教授團(tuán)隊(duì)在利用智能DNA納米機(jī)器進(jìn)行高靈敏傳感分析和納米診療方面取得了系列進(jìn)展，相關(guān)成果先后發(fā)表在Advanced Functional Materials（2024, 2407336），Chemical Engineering Journal（2024, 498，155631），Small (2024, 2309502)等國際期刊上。
成果一：基于 DNA 納米輥的切割滾壓工藝引導(dǎo)仿生納米探針受控排列用于SERS傳感分析
表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）作為一種靈敏的檢測技術(shù)，能夠提供分子水平上的信息，已廣泛應(yīng)用于疾病標(biāo)志物的檢測。然而，該領(lǐng)域面臨著幾個(gè)主要的研究瓶頸。首先，實(shí)現(xiàn)高密度且均勻分布的等離子體納米探針的精確組裝是一個(gè)挑戰(zhàn)，這直接影響到SERS檢測的靈敏度和可靠性。其次，如何提高檢測的特異性和降低背景干擾也是研究中的難點(diǎn)。此外，對(duì)于復(fù)雜生物樣品中的低豐度目標(biāo)分子的檢測，需要具有更高的靈敏度和抗干擾性。因此，開發(fā)新型高效的SERS探針及其組裝策略以提高檢測性能，是該研究領(lǐng)域亟待解決的問題。
面對(duì)這些問題，青島科技大學(xué)化學(xué)院周宏教授、何鵬副教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials （IF＝18.5）發(fā)表了題為‘’High-Density Arrangement of Biomimetic Plasmonic Nanoprobes Guided by DNA Nanoroller based Cleaving-Rolling Process for SERS Sensing Analysis‘’的研究。受農(nóng)業(yè)聯(lián)合機(jī)械化的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種獨(dú)特的剪切-滾動(dòng)-組裝集成納米器件（CRAIN），用于多種生物分子的高性能檢測。在設(shè)計(jì)中，引入 DNA 納米管作為構(gòu)建載體，以設(shè)計(jì)具有DNAzyme步行鏈的多取向DNA 納米輥，從而有效增加反應(yīng)取向和局域濃度。通過目標(biāo)特異性識(shí)別，激活的納米滾輪可以自主地沿著金基板上的發(fā)夾軌道進(jìn)行循環(huán)地剪切和滾動(dòng)，從而顯著提高反應(yīng)速率。此外，使用核酸編碼的海膽形金銀復(fù)合納米球（nMGS）作為SERS增強(qiáng)探針，通過剪切-滾動(dòng)過程介導(dǎo)的nMGS探針的受控組裝促進(jìn)了高密度熱點(diǎn)域的形成，進(jìn)一步改善了檢測靈敏度。而且，作為一種智能化的通用平臺(tái)，CRAIN系統(tǒng)可以擴(kuò)展用于多種分析物的高靈敏度分析，例如microRNA-21、丁酰膽堿酯酶活性和有機(jī)磷農(nóng)藥等。該研究展示了DNA 納米輥在生物傳感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力，這種集成化組裝策略為臨床診斷、生物醫(yī)學(xué)工程和環(huán)境科學(xué)提供了新的研究視角。
圖1 剪切-滾動(dòng)-組裝集成納米器件（CRAIN）傳感平臺(tái)示意圖
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407336
本文第一作者為青島科技大學(xué)化學(xué)院碩士研究生徐鑫林和李甜甜，通訊作者為周宏教授和何鵬副教授。
成果二：智能運(yùn)算激活的雙點(diǎn)亮納米詢問器用于原位高性能生物成像
對(duì)各種生物標(biāo)志物的表達(dá)譜進(jìn)行現(xiàn)場系統(tǒng)地詢問對(duì)于剖析腫瘤相關(guān)的復(fù)雜細(xì)胞事件和精準(zhǔn)治療至關(guān)重要。然而，當(dāng)前大多數(shù)納米機(jī)器面臨著細(xì)胞外激活、單一信息讀取、成像輸出不足和治療結(jié)果欠佳的挑戰(zhàn)。
面對(duì)這些問題，青島科技大學(xué)化學(xué)院周宏教授、何鵬副教授團(tuán)隊(duì)在Chemical Engineering Journal（IF=13.3）發(fā)表了題為“Intelligent Operation-Activated Dual Light-Up Nanointerrogator for On-Site High-Performance Bioimaging”的研究。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種智能“分層掃描-運(yùn)算-自動(dòng)反饋”納米詢問器（HSOAN），用于精確的細(xì)胞識(shí)別和個(gè)性化光療。將“生物計(jì)算機(jī)”與“電路放大器”有效結(jié)合，并選擇多種生物標(biāo)志物作為計(jì)算輸入，基于“YES-ANDI-ANDII”邏輯門順序感應(yīng)膜蛋白 PTK7 和細(xì)胞質(zhì) TK1 mRNA 和 microRNA-21 基因。經(jīng)歷自上而下的掃描-識(shí)別，納米詢問器僅在具有三位生物編碼的靶細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)空間特異性雙色信號(hào)輸出。研究表明“雙鎖-三鑰匙-雙報(bào)告器”控制的納米詢問器提高了細(xì)胞識(shí)別的準(zhǔn)確性。工程化框架支撐的膜錨定裝置和放大電路介導(dǎo)的超支化組裝增強(qiáng)了成像信息的穩(wěn)定性。 而且，MBNHs的高光熱轉(zhuǎn)換效率和生物安全性為腫瘤定制化治療提供了優(yōu)異的治療效果。
圖2 用于活細(xì)胞多參數(shù)門控邏輯詢問和光熱治療的HSOAN系統(tǒng)示意圖
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155653
本文第一作者為青島科技大學(xué)化學(xué)院碩士研究生李甜甜，通訊作者為周宏教授和何鵬副教授。
成果三：智能雙機(jī)聯(lián)動(dòng)納米器件用于四環(huán)素高靈敏SERS分析
四環(huán)素(TC)具有優(yōu)異的抑菌能力，且成本低廉，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等行業(yè)。然而，過度使用TC會(huì)導(dǎo)致其在動(dòng)植物和水體中持續(xù)累積，通過生態(tài)循環(huán)和食物鏈直接或間接地對(duì)人類健康和環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，精確檢測食品和環(huán)境中的TC殘留具有重要意義。傳統(tǒng)的檢測方法設(shè)備昂貴、程序繁瑣、抗體穩(wěn)定性弱、靈敏度低，極大地影響了TC檢測的特異性和效率。
針對(duì)以上挑戰(zhàn)，青島科技大學(xué)化學(xué)院周宏教授團(tuán)隊(duì)、何鵬副教授在Small（IF=13）上發(fā)表了題為“Engineering Assembly of Plasmonic Virus-Like Gold SERS Nanoprobe Guided by Intelligent Dual-Machine Nanodevice for High-Performance Analysis of Tetracycline”的研究。該研究設(shè)計(jì)了一種新型的雙機(jī)聯(lián)動(dòng)納米器件（DMLD）。以掛鎖適配體組件作為啟動(dòng)指揮中心，核酸編碼的類病毒多刺突金納米粒子（nMVANs）作為信號(hào)指示器，級(jí)聯(lián)步行者電路作為處理器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)TC的高性能分析。MVAN 中刺突頂點(diǎn)和刺突間納米間隙的存在促進(jìn)了強(qiáng)烈的電磁近場聚焦，為nMVAN的高SERS活性提供了保障。而且，通過多級(jí)Walker催化電路之間的順序激活，DLMD系統(tǒng)能夠?qū)⒂邢薜?/span>TC識(shí)別轉(zhuǎn)化為DNA擴(kuò)增子引導(dǎo)的SERS探針的大規(guī)模工程化組裝，從而實(shí)現(xiàn)全域等離子體熱點(diǎn)的協(xié)同增強(qiáng)。高活性仿生探針和多機(jī)模塊化設(shè)計(jì)的精巧結(jié)合這一構(gòu)建理念凸顯了智能納米器件在分析環(huán)境和食品中的痕量危害物方面的巨大應(yīng)用潛力。
圖3 用于TC高性能SERS分析的DMLD感應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)建機(jī)理圖
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202309502
本文第一作者為青島科技大學(xué)化學(xué)院碩士研究生徐鑫林，通訊作者為周宏教授和何鵬副教授。
本課題研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省高校青創(chuàng)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的資助。
