湖南大学谭蔚泓院士J. Am. Chem. Soc.: 三维纳米逻辑机器用于癌细胞表面运算识别

【引言】

细胞表面存在成千上万种受体，他们在细胞的交流、成长、增值和死亡中扮演重要角色，并且可作为疾病诊断、治疗和生物医学工程的生物标志物。近年来，基于分子识别的DNA分子机器领域取得迅猛发展，为癌症的精准诊疗提供了新的分子设计策略与手段。通过集成各分子元器件的纳米机器来识别这些生物标志物，然后运算产生特异的响应信号，可实现癌细胞的精准识别，在人工分子器件和生物医药领域具有巨大潜力。

近日，湖南大学的谭蔚泓院士和宦双燕教授（共同通讯）团队设计并构建了一种基于核酸适体和DNA三棱柱(TP)的三维纳米逻辑机器。这种纳米级机器可在癌细胞膜表面实现布尔逻辑运算，展现出精准诊疗的潜力。相比于传统的游离于溶液中的线性双链DNA计算系统，这种三维DNA纳米机器集成了所有的逻辑运算单元，当特定细胞类型出现时，运算产生特异的响应信号，大大提升了细胞识别的准确性。这种分子集成设计策略具有广阔的潜力。该成果以题为"Engineering a 3D DNA-Logic Gate Nanomachine for Bispecific Recognition and Computing on Target Cell Surfaces"发表在J. Am. Chem. Soc.上。

图1.DNA纳米机器的工作原理

图2.三维DNA逻辑纳米机器在溶液中的自组装和动态逻辑运算

(a).基于DNA三棱柱（TP）的纳米逻辑机器链置换示意图；

(b).DNA逻辑TP分步自组装的电泳结果；

(c).DLS结果；

(e).DNA逻辑TP动态行为的活性电泳结果

(f).cS或cF的比例优化

(g). DNA逻辑TP对DNA链置换的荧光变化

图3.线性双链DNA和三维DNA逻辑TP在细胞表面靶向中的区别

(a).线性双链DNA和三维DNA逻辑TP在10%FBS中的稳定性考察；

(b).线性双链DNA和三维DNA逻辑TP在靶细胞表面分子运算的图示；

(c). 流式细胞术对各组的荧光强度分析；

图4.三维DNA逻辑纳米机器用于识别细胞表面

(a).流式细胞术分析；

(b).激光共聚焦成像；

(c).DNA逻辑门运算真值表；

【小结】

在这个工作中，彭瑞资和郑小芳是本文的并列第一作者，他们共同设计和构建了一种基于适配体的三维DNA逻辑门TP纳米机器。这种纳米机器除了在癌症细胞膜表面实现布林逻辑运算，还可以轻易进入细胞内，展现出诊疗的潜力。与基于线性双链DNA相比，这种三维DNA纳米机器集成了所有的逻辑运算单元，当特定细胞类型出现时，运算产生特异的响应信号，大大提升了细胞识别的准确性。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部等部门的科研资助。

Engineering a 3D DNA-Logic Gate Nanomachine for Bispecific Recognition and Computing on Target Cell Surfaces

(J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10. 1021/jacs.8b04319)

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。