通過控制這些堿基在一段合成DNA拷貝中的準(zhǔn)確位置,，研究人員制成了含有針對特定基因表達(dá)靶標(biāo)的探針的納米瓦片。利用原子力顯微鏡（AFM）,，科學(xué)家在單分子水平上拍攝到瓦片的圖像。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了一個(gè)機(jī)械的、不需要標(biāo)簽的RNA檢測。
生物谷報(bào)道：美國亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)研究所的科學(xué)家,，開發(fā)出了世界上第一種完全由自組裝DNA納米結(jié)構(gòu)制成的基因檢測平臺,。該成果發(fā)表在了1月11日出版的《科學(xué)》（Science）雜志上，它可能對基因芯片技術(shù)有著廣泛的影響,，而且還可能革新在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)分析基因表達(dá)的方式。
“我們從生物學(xué)中最著名的結(jié)構(gòu)開始研究,，也就是DNA,，然后把它當(dāng)成一種納米尺度的建筑材料，”該研究所的單分子生物物理學(xué)中心的成員,、文理學(xué)院化學(xué)和生物化學(xué)助教授HaoYan說,。
HaoYan是稱之為結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)這一快速發(fā)展的領(lǐng)域中的一位研究人員。該技術(shù)把生物分子組裝成各種納米結(jié)構(gòu),，在從人類健康到納米電子學(xué)的諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用,。
HaoYan領(lǐng)導(dǎo)的亞利桑那州立大學(xué)的一支跨學(xué)科研究組，開發(fā)了一種利用結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)瞄準(zhǔn)稱為RNA的基因化學(xué)信使的方法,。
這個(gè)研究組的成員包括：論文第一作者,、化學(xué)和生物化學(xué)研究生Yonggang Ke；化學(xué)和生物化學(xué)助教授Yan Liu,；單分子生物物理中心主任,、物理學(xué)教授Stuart Lindsay；以及生命科學(xué)學(xué)院的副教授Yung Chang,。
“這是一種強(qiáng)有力的技術(shù)的首批實(shí)踐應(yīng)用之一,，此前，該技術(shù)主要是研究示范的課題,，”Lindsay說,。“結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)的領(lǐng)域最近出現(xiàn)了令人非常激動(dòng)的進(jìn)展，即Ned Seeman,、Erik Winfree及其同事最先示范了用瓦片DNA自組裝構(gòu)建幾何與拓?fù)浼{米結(jié)構(gòu),，”Hao Yan說。
最近制造空間可尋址的DNA納米陣列的突破是來自Paul Rothemund的關(guān)于腳手架DNA折紙技術(shù)的研究,，在這種技術(shù)中,，一種長的單鏈病毒DNA腳手架可以被大量的短合成“輔助鏈”折疊并釘在納米結(jié)構(gòu)上，顯示出復(fù)雜的圖案,。
“但是結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)在生物應(yīng)用方面的潛力被低估了,，如果我們看看DNA自組裝的過程，你會驚奇地發(fā)現(xiàn)數(shù)以萬億的DNA納米結(jié)構(gòu)可以在幾微升的溶液里同時(shí)形成,，非常重要的是,，它們具有生物相容性且易溶于水，”Hao Yan說,。
DNA芯片和微陣列技術(shù)已經(jīng)成為了價(jià)值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè),，科學(xué)家可以使用這項(xiàng)技術(shù)同時(shí)檢查數(shù)千個(gè)基因的突變或者發(fā)現(xiàn)疾病的線索,。然而，由于DNA探針是固定在微陣列芯片的固體表面上的,，靶標(biāo)尋找到探針是一個(gè)緩慢的過程,。而且，很難把探針之間的距離控制在納米精度上,。
“在這項(xiàng)研究中,，我們開發(fā)了一種水溶性納米陣列，可以利用DNA自組裝過程,，而且還擁有宏觀DNA芯片陣列所不具有的優(yōu)點(diǎn),，”Hao Yan說。“與固體表面芯片不同,，這種陣列本身就是反應(yīng)物,。”
為了制造DNA折紙技術(shù)的RNA探針，Hao Yan利用了DNA化學(xué)字母的基本配對規(guī)則（“A”只能與“T”形成一個(gè)類似于拉鏈的化學(xué)鍵,，而“G”只能與“C”配對）,。通過控制這些堿基在一段合成DNA拷貝中的準(zhǔn)確位置，Hao Yan編制了一個(gè)單鏈基因組DNA,，稱為M13,，制成了含有針對特定基因表達(dá)靶標(biāo)的探針的納米瓦片。
Hao Yan把這種自我裝配的DNA納米陣列稱作核酸探針瓦片,，它們看上去就像納米尺寸的郵票,。只用一步，M13腳手架系統(tǒng)就可以制造出100萬億個(gè)瓦片,，產(chǎn)率接近100%,。
Hao Yan的研究組設(shè)計(jì)了三種不同的DNA探針瓦片，用于檢測三種不同的RNA基因,，還設(shè)計(jì)了一個(gè)條碼索引用于把不同的瓦片區(qū)分開來,。“每一個(gè)探針都可以通過自身的條碼加以辨別，因此我們把它們混合在同一個(gè)溶液中,，然后我們用它進(jìn)行多元檢測,，”Hao Yan說。這個(gè)研究組使用了一種強(qiáng)大的儀器,，稱為原子力顯微鏡（AFM）,。這種儀器可以讓科學(xué)家在單分子水平上拍攝瓦片的圖像。
在每一個(gè)DNA探針瓦片的表面有一條懸掛著的單鏈DNA片斷,，可以與目標(biāo)RNA靶標(biāo)結(jié)合,。“每一個(gè)探針實(shí)際上都含有兩個(gè)一半的探針，當(dāng)靶標(biāo)RNA到來的時(shí)候,，它將與半探針雜交,，讓單鏈懸掛探針變成剛硬的結(jié)構(gòu),，”Hao Yan說。“當(dāng)它變硬后,，它就會被原子力顯微鏡的懸臂感覺到,，你就能看到一條亮線，代表高度增加,。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了一個(gè)機(jī)械的,、不需要標(biāo)簽的檢測。”
這種技術(shù)還能檢測微量的RNA,。“由于在原則上DNA-RNA雜交的親和力如此之強(qiáng)，僅僅一個(gè)分子就可以與探針瓦片雜交,，” Hao Yan說,。
盡管還有許多技術(shù)障礙有待克服，這個(gè)研究組對于該技術(shù)的可能應(yīng)用感到激動(dòng),。“我們的方法所提供的是水溶性探針瓦片反應(yīng)物,，因此樣本的容量有可能縮小到單細(xì)胞容量的水平。我們的最終目標(biāo)是在單細(xì)胞水平上檢測RNA基因表達(dá),。”（來源：EurekAlert!中文版）
生物谷推薦原始出處：
Science 11 January 2008:
Vol. 319. no. 5860, pp. 180 - 183
DOI: 10.1126/science.1150082
Self-Assembled Water-Soluble Nucleic Acid Probe Tiles for Label-Free RNA Hybridization Assays
Yonggang Ke,1,3 Stuart Lindsay,1,3,4 Yung Chang,2,5 Yan Liu,1,3 Hao Yan1,3*
The DNA origami method, in which long, single-stranded DNA segments are folded into shapes by short staple segments, was used to create nucleic acid probe tiles that are molecular analogs of macroscopic DNA chips. One hundred trillion probe tiles were fabricated in one step and bear pairs of 20-nucleotide-long single-stranded DNA segments that act as probe sequences. These tiles can hybridize to their targets in solution and, after adsorption onto mica surfaces, can be examined by atomic force microscopy in order to quantify binding events, because the probe segments greatly increase in stiffness upon hybridization. The nucleic acid probe tiles have been used to study position-dependent hybridization on the nanoscale and have also been used for label-free detection of RNA.
1 Center for Single Molecule Biophysics, Arizona State University, Tempe, AZ 85287, USA.
2 Center for Infectious Diseases and Vaccinology, The Biodesign Institute, Arizona State University, Tempe, AZ 85287, USA.
3 Department of Chemistry and Biochemistry, Arizona State University, Tempe, AZ 85287, USA.
4 Department of Physics, Arizona State University, Tempe, AZ 85287, USA.
5 School of Life Sciences, Arizona State University, Tempe, AZ 85287, USA.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]
