【前沿】上海儿童医学中心科研团队利用DNA纳米技术在分子机器模拟领域创建新模型，有望应用于可编程性…

近日，国家儿童医学中心（上海）、上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心潘秋辉团队联合上海市第十人民医院孙奋勇、朱小立团队在《Nature Communications》在线发表了题为 “Throwing and manipulating and cheating with a DNA nano-dice” （利用DNA纳米骰子进行投掷、操纵、作弊）（2022年影响因子：17.694）的研究论文。该研究基于立方体结构的DNA纳米框架和氧化石墨烯的特殊性能，利用DNA折纸技术首次构建智能可控型纳米骰子系统，在纳米级别微观分子尺度下进行编程操作，实现宏观环境中骰子投掷不同概率事件的行为模拟，为DNA纳米技术在分子机器模拟领域提供新型模型。该模型有望应用于可编程性多重标志物诊断。

DNA作为一种智能纳米材料，通过对其以各种方式进行修饰后，可以折叠成多种形式的分子器件，来执行复杂的操作，包括小分子检测、载体递送等。因此设计和制造DNA纳米器件已成为疾病诊疗，特别是肿瘤的精准诊疗中的重要研究领域和热点。然而，在实际应用过程中，由于DNA分子自身结构复杂、相互作用多样等因素的影响，设计和合成稳定且高精度的DNA纳米器件，在疾病的诊断和治疗过程中完成更复杂、更准确、更灵敏的操作模拟是非常具有挑战性的。

骰子投掷是一种数学随机模型，理想条件下骰子的六个面掷出的概率是相同的。但在特殊情况下，可以通过特殊手段改变某一面的掷出概率，这种行为称之为作弊。骰子投掷模型可以通过改变条件来表示不同概率的事件，以执行某些逻辑运算用于决策判断等，在行为模拟方面具备诸多的可应用性。如何利用骰子投掷模型来进行微观分子尺度的逻辑运算、辅助决策判断呢？该团队利用DNA纳米折纸技术构建了立方体结构，即DNA纳米骰子，通过观察结构中单链DNA在氧化石墨烯上的荧光淬灭情况来探索DNA纳米骰子投掷过程的可能性，并进一步实现了DNA纳米骰子定向翻转及概率变化的作弊投掷，证实了DNA纳米骰子这种分子机器的可编程性。

作为一种概念性模型验证，该研究利用DNA和氧化石墨烯之间的吸附特性，使DNA纳米骰子系统可以完成投掷、操纵、作弊的模拟。在成功模拟投掷的随机等概率事件后，进一步通过引入调节器和解除调节器触发熵驱动的链置换反应有效控制纳米骰子的翻转（实现不等概率事件）。这种可控型DNA纳米骰子系统有望成为智能分子纳米控制器件，通过识别目标RNA或DNA分子，进而选择性激活特定的输出点数，作为传感器或激活器触发下游生物信号。通过DNA和石墨烯之间的简单交互作用，执行逻辑电路或颜色编码等编程任务。DNA纳米骰子系统可以进一步拓展应用到可编程的分子诊断中，如利用肿瘤中异常表达的microRNA作为调节因子触发相关信号，将纳米骰子中的四条单链DNA作为不同的microRNA靶标识别序列，根据正常/肿瘤样本中不同单链DNA所对应的荧光信号的变化进行分析，模拟靶标microRNA检出概率，以提示疾病发生。该研究团队所开发的可编程DNA纳米骰子或将帮助研究人员建立多重靶标检测等合适模型，在临床诊断领域提供一种新型检测模式。

National Children's Medical Center

作者信息

该论文第一作者为上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心博士研究生唐晓晨，共同第一作者为该院检验科助理研究员陈天舒、同济大学附属第十人民医院检验科科研助理李文星。同济大学附属第十人民医院检验科副主任朱小立教授为通讯作者，上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心检验科主任潘秋辉教授和同济大学附属第十人民医院副院长孙奋勇教授为共同通讯作者。

原标题：《【前沿】上海儿童医学中心科研团队利用DNA纳米技术在分子机器模拟领域创建新模型，有望应用于可编程性多重标志物诊断》

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