近日，加州理工学院的科学家们使用一种称为DNA折纸的方法开发了一种技术，利用该技术有望制造出更便宜且可重复使用的生物标志物传感器，可用于快速检测体液中的蛋白质，而无需将样本送到实验室中进行检测。
“我们的工作提供了一个概念验证，展示了一种可用于识别和测量核酸及蛋白质的单步方法，”加州理工学院计算与数学科学以及计算与神经系统研究所的访问副教授保罗·罗特蒙德Paul Rothemund（BS '94）说。
一篇描述这项工作的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）杂志上。该论文的主要作者是前加州理工学院博士后学者Byoung-jin Jeon和现任研究生Matteo M. Guareschi，他们在Rothemund的实验室完成了这项工作。
2006年，Rothemund发表了第一篇关于DNA折纸的论文，这是一种仅使用DNA即可在纳米尺度上对分子结构设计进行简单而精妙控制的技术。
从本质上讲，DNA折纸技术使长链DNA能够通过自组装折叠成任何所需的形状。（在2006年的论文中，Rothemund曾使用该技术创造出直径为100纳米、厚度为2纳米的微型DNA笑脸）。研究人员从溶液中的一条长链DNA（即支架）开始。由于构成DNA的核苷酸碱基以已知的方式结合（腺嘌呤与胸腺嘧啶结合，鸟嘌呤与胞嘧啶结合），科学家们可以添加数百个短的互补DNA序列，因为他们知道它们会在已知位置的两端与支架结合。这些添加的短DNA片段折叠支架并赋予其形状，就像“钉书钉”一样将结构固定在一起。使用这项技术可以创建纳米级晶体管的各种形状，甚至可用于创建从北美和南美的地图。
在这项新工作中，Rothemund和他的同事们使用DNA折纸技术创造了一个类似睡莲的结构——一个直径约 100 纳米的平坦圆形表面，通过DNA锚链固定在金电极上。睡莲和电极都有一些短的DNA链可与分析物结合，分析物是溶液中的目标分子，无论是 DNA 分子、蛋白质、还是抗体。当分析物与这些短链结合时，睡莲被拉到金表面上，使睡莲上的 70 个报告分子（表明存在目标分子）与金表面接触。这些报告分子是氧化还原反应的活性分子，这意味着它们在反应过程中很容易失去电子。因此，当它们足够靠近电极时，可以观察到电流。更强的电流表明存在更多的报告分子。
此前，凯文·W·普拉克索（Kevin W. Plaxco，1994年博士毕业于加州大学圣塔芭芭拉分校）领导的研究团队开发了一种类似的用于制造生物传感器的方法，该方法使用单条DNA链而不是DNA折纸结构。普拉克索也是当前论文的作者之一。
加州理工学院的瓜雷斯基（Guareschi）指出，新的睡莲折纸结构与单条DNA链相比要大得多。“这意味着它可以在一个单分子上容纳70个报告分子，并在结合之前将它们与表面保持一定距离。然后当分析物结合且荷叶到达电极时，会产生很大的信号增益，使得变化很容易被检测到。”瓜雷斯基说。
睡莲折纸的相对较大的尺寸也意味着该系统可以轻松容纳并检测较大的分子，例如大分子。在这篇新论文中，该团队表明，睡莲和金表面上的两条短 DNA 链可以作为适配器，从而使其成为一种用于检测蛋白质而非DNA的传感器。在这项工作中，研究人员将维生素生物素添加到这些短DNA链中，将该系统转变为链霉亲和素（streptavidin）蛋白的传感器。然后他们添加了一种DNA核酸适配体（DNA aptamer），这是一种可以与特定蛋白质结合的DNA链; 在这种情况下，他们使用了一种能够与血小板衍生生长因子BB（PDGF-BB）结合的核酸适配体，这种衍生因子可用于帮助诊断肝硬化和炎症性肠病等疾病。
“我们只需将这些简单的分子添加到该系统中，它就可以感应到不同的东西，” 加州理工学院的瓜雷斯基Guareschi 说。“它的容量足够大，可以接纳你投送给它的任何东西——无论是核算适配体、纳米抗体、还是抗体片段——而且它不需要每次都完全重新设计。”
研究人员还表明，该传感器可以被多次重复使用，每轮检测都会添加新的适配器以进行不同物质的检测。尽管其性能会随着时间的推移而略有下降，但当前的系统至少可以重复使用四次。
未来，该团队认为该系统或许还会有助于蛋白质组学的发展，蛋白质组学是确定样品中含有哪些蛋白质以及浓度是多少的研究。“你可以同时拥有多个传感器来检测不同的分析物，然后你可以进行清洗、切换分析物并重新测量。你可以多次重复这个过程，“加州理工学院的瓜雷斯基Guareschi说。“在短短几个小时内，您可以仅凭借这一个系统就能测量数百种蛋白质。”
这篇论文《基于模块化DNA折纸的DNA和蛋白质电化学检测》的其他作者包括：来自加州大学洛杉矶分校的Jaimie M. Stewart；来自麻省理工学院的Emily Wu和Ashwin Gopinath；来自约翰·霍普金斯大学医学院的Netzahualcóyotl Arroyo-Currás；来自加拿大舍布鲁克大学的Philippe Dauphin-Ducharme；以及来自纽约圣约翰大学的Philip S. Lukeman。
该团队使用了加州理工学院Kavli纳米科学研究所的制造设备。这项工作得到了美国陆军研究办公室、美国海军研究办公室、美国国家科学基金会以及由默克研究实验室支持的生命科学研究基金会的资助。
