作者:马兴毅等 来源:《自然—通讯》 发布时间:2019/3/1 12:25:55
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研究制备出带有2纳米桥梁结构的新型金结构

 

近日,韩国高丽大学融合化工系统研究所研究教授马兴毅及其合作者再次在《自然·通讯》上发表了一项突破性成果,实现了对纳米尺度(0.000000001米)内的金粒的精细设计,制备出带有2纳米桥梁结构的新型金结构。该粒子可与光子相互作用,极为灵敏地对结合在粒子表面的物质做出光学信号响应,最低可识别分析5个基因片段,灵敏度和可靠性达到世界领先水平。

马兴毅团队主要在纳米医学传感和细胞生物工程领域开展产业化研究(maxy@korea.ac.kr)

在生命体中,DNA指导合成蛋白质。马兴毅提出,可将DNA分子作为骨架,指导金纳米颗粒的合成,相关成果在2016年发表于《自然·通讯》。团队设计DNA分子的结构,进而实现对金纳米结构的调控,控制精度在5纳米以下,整个合成过程在水溶液中进行,所合成的颗粒可直接用于生物医学工程,为世界首创。记者了解到,在最新的研究中,团队将DNA组装在两个金纳米种子之间,控制合成出中间有“桥梁”或者“缝隙”的新型金纳米颗粒,而桥梁长度只有2纳米。相较于纳米球、纳米棒等,纳米桥颗粒体现出最高的检测灵敏度,实现了对基因中一个位点的突变的检测识别。

金纳米颗粒的设计性合成 (来源:Nat Comm, 7, 12873)

基因突变导致很多疾病。基因庞大,再加上DNA在结构上具有很强的适应性,某个位点的突变很难被发现。2015年诺贝尔化学奖授予了成功发现细胞修复DNA机制的三位科学家,在该机制中,细胞启用一种蛋白分子MutS扫描DNA。MutS形如一双祈祷的手,在DNA上滑动,其特定的氨基酸可与突变位点的碱基形成氢键,致使双手合拢,握住带有突变的DNA。之后,MutS启动其它蛋白分子对突变区域进行修复。受此启发,该团队将MutS作为识别工具,将纳米桥颗粒作为传感材料,并将整个传感尺度缩小到近30纳米。对于该传感尺度,生物分子不再微不足道,每个分子在颗粒上的结合都会显著的影响传感信号;甚至,分子间的结合力、分子间距等极微观的信息也可实时读取。从而,团队分析MutS与不同突变位点的结合常数,将常数标准化,汇总得出一份可以表征基因突变类型的数据图集,可诊断被测样品中的基因突变。

基因单点突变的识别和检测数据图集 (来源:Nat Comm, 10, 836)

记者了解到,本成果已针对与乳腺癌最为相关、在世界范围内最为普遍、风险最高的8种基因突变,设计构建了8款单颗粒传感芯片。将被检测样品注入芯片,传感系统可实时读取分析结果,并判断出突变类型,例如合作者提供了2株未知的癌细胞,分别命名为HCC1937和SNU251。将样品注入传感系统并进行检测,分别得出两个结合常数。将数值放入标准化图集,发现坐标位点分别与“+C”和“A-C”契合,因此推断两个细胞株的相应基因分别含有单个胞嘧啶嵌入型突变、鸟嘌呤被腺嘌呤替代型突变。将细胞的基因转交给基因测序公司,发现基因中存在的单点突变类型与传感结果一致,表明该传感系统具有可靠性,在医学诊断等应用领域大有可期。

本研究由马教授设计开展,来自韩国高丽大学、首尔大学和美国科罗拉多大学波德分校的科学家共同参与完成。马教授表示,以应用和性能为导向,学者们设计出各种新型的纳米结构;然而最关键的,是将设计变为现实。如果对先进材料实现“求仁得仁”,现代科技必将再度深刻变革。 (来源:科学网)

相关论文信息:DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-08769-y

 
 
 
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