纳米智能机器—纳米多功能检测

摘要

病毒是自然界中分布最广、个体数量最多的生命形式，同时它也是许多致死性疾病的罪魁祸首。历史上各种传染性病毒如流感病毒、天花、埃博拉病毒的肆虐给人类带来了巨大的灾难；动物病毒和植物病毒感染造成畜牧业和农业的巨额经济损失。另一方面，病毒具备良好的生物相容性和稳定性、生长繁殖迅速、容易大规模生产，且可以通过化学或基因工程的方法进行修饰，使其发挥特定的功能。病毒的物理化学性质对其功能有直接影响，因而发展快速、灵敏、通用的病毒表征方法对病毒技术的开发和推广至关重要。

然而，由于病毒纳米颗粒个体微小（直径主要分布在20-200 nm），结构简单，传统的流式细胞仪无法检测低于250 nm的颗粒，因而并不是检测病毒颗粒的最佳选择，目前尚没有一种技术能在单颗粒水平实现病毒纳米颗粒的无标记、快速、准确检测。

因此我构想了一种通过DNA折纸技术构成平面，并且在平面上放置一定数目的立足点，提前确定好需要检测的DNA链，并且取检测链（可卡因/磷酸腺苷）加入该结构中得到置换链1，当被检测DNA链进入该系统中能够与对应的四立足点上的DNA双联或者颈环结构发生置换反应，生成的置换链2再与1发生显色反应即可检测相应DNA链。该平面可以容纳多数目的立足点，因此可以检测许多已知序列的DNA链。

对于该多功能检测，还有一个重要的任务是能够重复利用节省成本，因此我在之前的基础上再构造一个新的平面，该平面上有着相应的DNA合酶，能够切断双链，并且在该平面上有着与被检测链和检测链序列匹配程度更强的链来提取出平面1中的检测链。这样可以使该纳米多功能检测循环使用。

具体的结构我将分如下几部分分别阐述，平面1的构造、平面2的构造、四立足点的搭建、置换的原理、检测的原理、循环利用的原理及结构、并在最后搭建好总体模型。

• 平面1、2的构造及3D模型

1.平面的构造原理

       这里利用的是DNA折纸技术，将天然DNA单链中的长链进行反复折叠，并用短链加以固定，由此就能绘出方形、星形等一系列对称的DNA图形。这里用到该技术的原因是考虑到随着时间的推移，多功能纳米检测的更新，为了区分不同类型的多功能纳米检测可以将平面设计成各种不同的形状以方便识别。下文阐述基本的方形平面搭建。这里我通过Cadnano编程搭建如下模型。

2.平面的3D模型

用Cadnano搭建的平面模型：

 在3D画图软件中画出立体模型

 二、四立足点的3D模型

 

三、置换的原理

1.置换原理

DNA作为生物遗传信息的载体，由4种碱基即腺嘌昤（A>、胸腺嘧啶（T)、鸟嘌昤（G>、胞嘧啶（C>组成，通过碱基互补配对原则（A与T配对，G与C配对}形成双辕旋结构+DNA链置换是指1条单链DNA置换 出部分复合物中原绑定链的反应过程.当互补链的长度变化时，形成双螺旋结构的结合力也有所差异.链置换反应即巧妙利用这一特点，使得DNA分子在杂交系统中逐渐过渡到熵不断增加、自由能趋于稳定的状态, 从而实现长互补链置换出短互补链的过程.链置换反应的关键技术在于小支点的巧妙设计，小支点区域通常由4_6个碱基序列组成^3],其反应速率可通过调节碱基的个数而得到控制，并随着碱基个数的增加呈 指数比例增长.在DNA链置换反应过程中，采用DNA单链形式作为输入和输出信号，并为相邻2个生化逻辑门间的级联做前期准备.

DNA链置换反应经历了3个阶段，如图所示:第1阶段是反应初始化过程['该过程始于小支点区域3‘，区域3•与区域3通过一定的结合力形成互补双链;第2阶段是分支迁移过程,初始化完成后，输入单链的识别 区域2会逐渐替代原绑定链的区域2,即实现了分支迁移;第3阶段是输出信号产生过程,当区域2被完全替代后，原绑定链就会从部分双链复合物上脱落下来，形成输出，如红色链1-2.

 

四、多功能检测原理及3D模型

1.多功能纳米检测原理

 

图示基本信息

如图所示，为纳米检测基本原理，图中：1代表的是平面上的一条长链作为脚手架，2、3a、4a、5代表的是立足点 。2’’、3’’、4’’和5’’为中间链。6代表人为添加的检测链，6的作用是指定该多功能检测链去检测特定已知的一条病毒链。7代表的是被检测的DNA链。

检测过程

当使用该特定的多功能检测器去检测已知序列的DNA链时，加入相应的检测链6，则6链将置换下来存在2上的2’’链，由于2’’链与3a链的结合更为密切所以2’’链将会与3a链结合并将原本存在于3a链上的3’’链置换下来。同理加入7链时由于7链与5链的结合更为密切，所以7链将与5链结合并将5’’链置换下来。而5’’链又与4a链结合更为密切，所以将4’’链置换下来

1. 当单独加入6链只会产生3’’链无法发生显色反应，则该检测器不变色。
2. 当单独加入7链只会产生4’’链无法发生显色反应，则该检测器不变色。
3. 当6链和7链都加入时，产生的4’’与5’’将结合并在双氧水与ABTS粒子存在的情况下发生氧化还原反应，该反应为显色反应。

由c)知该检测仪检测的DNA链为指定的DNA链 当加入6链和被检测物后可以判断被检测物中是否含有指定的DNA链。

   双重置换的作用

   如果直接用可以和被检测链结合的链去检测被检测链的确两者可以发生反应，但是无法发生氧化还原的显色反应，所以无法用肉眼辨别。双重置换可以发生显色反应，大大提升了检测的效率，同时增大了系统的容错率。这一点在下文循环使用过程中会提到。

2.多功能纳米检测的3D模型

这里我只画了四组，表示该检测器可以检测四种不同的DNA链，当然在实际的运用中该结构可以扩展至成百上千种，只用一种该仪器即可检测出成百上千种不同的DNA序列。

五、循环使用的原理及模型

1.循环利用的原理

DNA解旋酶

通常为流体蛋白环，通过ATP水解产生的能量由解旋酶装载器装载到DNA单链上（单链穿过环中央），有3‘--5’或5‘--3’方向极性，该极性就是它结合的单链的极性。它像DNA聚合酶一样具有延伸性。与解旋酶装载器结合，装载到单链DNA上之前，DNA解旋酶是没有活性的，只有解旋酶装载器将它装载到单链DNA上，解旋酶装载器自动离开之后，DNA解旋酶的活性才被激活。直到双链全部解开，运动到单链末端时，它才从单链上离开。

循环使用

 

 当检测完毕后，检测器中状况如上图，3’’与4’’结合、6与2结合、2’’与3a结合、5’’与4a结合、7与5结合。且已经发生氧化还原显色反应。现在要使其恢复初始状态即：

 

并且要提取检测链6与被检测链7，这里考虑到，如果先加入氧化剂和还原剂发生氧化还原逆反应使溶液褪色，那么溶液中依旧有双链存在，所以浓度很难把握，这里我采用先加入解旋酶装载器和DNA解旋酶，解开特定的双链DNA结构，即3’’和4’’、2和6、3a和2’’、4a和5’’、5和7。那么现在溶液中存在游离的3’’、4’’、6（检测链）、2’’、5’’、7（被检测链）链。

   由上述知2和6、3a和2’’、4a和5’’、5和7更容易集合，此时加入平面2，在平面2上存在长链6’、7’、2’’’、5’’’。这里说明：6’与6、7’与7、2’’’与2’’、5’’’与5’’结合性更强。所以平面2提取了溶液中的6、7、2’’、5’’。则3’’与3a结合，4’’与4a结合。再通过解旋酶装载器解开2’’和2’’’、4’’和4’’’移开平面2则2’’与2结合，5’’和5结合。这里可能会有疑问是否会发生置换，答案显然不是，当存在单链的时候两条单链应结合性更强。最后再加入氧化剂和还原剂，使溶液退色。

  这里体现双重置换的优势就是双重置换可以恢复原状，并且加入的平面2可固定。

  至此，平面一恢复如初，平面2包含检测链和被检测链。完成循环使用并提取检测链和被检测链。

 2.循环平面3D模型

多功能纳米检测3D模型

 

                                              平面1                                                        平面2