Light | 赋予光镊“生物识别之眼”

陈嘉杰、陈挚、孟长乐 （深圳大学）

双诺奖之约：光镊技术和CRISPR基因编辑的融合

自从阿什金发明光镊以来，光学操作技术已经成为远程操作纳米物质的强大工具，并在2018年，因其对生物系统的开创性贡献，被授予诺贝尔物理学奖。经典的光镊主要依赖于光的动量变换，因此需要高数值孔径（NA）物镜和高功率激光，但光的衍射也限制了操作精度。

幸运的是，与纳米等离子体光学、电场、或温度场等领域的跨学科结合新技术已经有效地解决了这些限制，为粒子分析和操纵提供了新的机会。其中，利用光热效应的光镊“光热镊”，也可以在微米尺度范围内操纵纳米粒子。与传统的光镊相比，光热镊技术需要较低的激光功率密度（10-100 μW/μm²），减少了对被操作的生物样品的不利光学影响，并扩展了可操控粒子范围，使其成为生物检测的一个极佳工具。

可操控从微米到纳米尺度的生物颗粒，包括细菌和活细胞，单链和双链DNA分子（ss-和dsDNA），以及蛋白质（光学学报, 2023, 43(14): 1400001）。然而，光镊在液体介质中仍不具有生物分子原位识别能力。

值得注意的是，聚类规则间隔短回文重复（CRISPR）系统在基因编辑领域取得了重大突破，并在2020年获得了诺贝尔化学奖。它由一个CRISPR相关（Cas）核酸酶蛋白和一个目标DNA序列互补的引导RNA（crRNA）组成。当在一定的温度条件下（~37℃）被匹配的目标DNA（ssDNA或dsDNA）特异性激活时，可以触发反式切割，作用于周围单链DNA分子。其对于基因的“单碱基突变”具备极高的分辨能力，已被广泛应用于生物检测领域。然而，该类方法的灵敏度往往受到复杂样本中目标DNA的低丰度的限制。

所以，纳米“光热镊”作为一种新兴的创新技术，在纳米颗粒的原位操作领域应用很广，但对于生物分子特异性识别的技术尚不完善，尤其在单核苷酸多态性（SNP）的精确检测方面的不足，阻碍了其在单分子检测与治疗领域的突破。能否发明一种新型的检测技术，既能弥补CRISPR生物传感的不足，又能上光镊具备生物分子识别的能力呢？

答案是肯定的，近日，来自深圳大学物理与光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，生物光子学研究中心陈嘉杰特聘研究员、邵永红教授、张晗教授与香港中文大学生物医学工程系何浩培教授的研究团队首次将“光热镊”技术与CRISPR基因编辑技术进行了融合。基于CRISPR基因编辑技术中的单碱基特异性识别能力，以及光热镊技术对生物分子的精准操控，开发了一种新型生物检测技术，即CRISPR增强的纳米光热镊（CRONT）。

该成果以“CRISPR-powered optothermal nanotweezers: Diverse bio-nanoparticle manipulation and single nucleotide identification”为题发表在Light: Science & Applications。

具体来说，如图1所示，通过在光热激发下利用基底附近的扩散泳和热渗透流动，成功地捕获并富集三种纳米粒子，包括金纳米颗粒团簇、CRISPR相关蛋白、以及目标DNA，在SNP位点的检测过程中，利用暗场成像技术实时监测到光斑中心处CRISPR反式切割的动态过程。

这种创新的方法赋予了光镊技术前所未有的DNA识别能力。由于其对原位生物纳米颗粒操作和鉴定的高特异性和可行性，它将有望成为护理点诊断、生物光子学和生物纳米技术的通用工具。

图1：CRONT工作原理

CRONT可以实现生物纳米颗粒操作，并满足目标生物颗粒识别的CRISPR工作条件。具体而言，首先，我们成功地捕获了ssDNA、dsDNA、BSA、Cas12a蛋白和DNA@金纳米颗粒偶联物。并对其捕获刚度以及温度场分布做了系统性研究。

其次，如图2所示，通过结合基于CRISPR的DNA生物传感方案，在捕获光斑附近，通过监测单个捕获的DNA@金纳米颗粒偶联物被切割的概率，可用于原位DNA分子（SARS-CoV-2或猴痘）鉴定。并在无需核酸预扩增的前提下，达到了25 aM（ssDNA）和250 aM（dsDNA）的检测限。

图2：CRONT对于超低浓度单/双链DNA的检测

更令人振奋的是，实验表明这种纳米“光热镊”在超低的检测量（10 μL）下，仍具有单核苷酸多态性（SNPs）的识别能力，这在遗传多样性检测中起着至关重要的作用，并与各种表型性状相关，包括疾病易感性和药物反应。因此，这种SNP检测技术的创新亦可满足未来基因组研究和医学的多样性需求。

未来展望

CRONT技术通过联合CRISPR生物传感系统以及“光热镊”技术，实现了在超低的检测限内快速检测SNP位点的功能，未来有望应用于单分子水平的基因检测以及基因编辑的应用。我们相信，这种非接触性的纳米探针将解决更多的光学、热学、生物学的共性问题，并在单粒子水平上，深化人类对多种复杂生物过程的理解。

论文信息

Chen, J., Chen, Z., Meng, C. et al. CRISPR-powered optothermal nanotweezers: Diverse bio-nanoparticle manipulation and single nucleotide identification. Light Sci Appl 12, 273 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01326-9

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