隨著腫瘤標(biāo)記物的不斷發(fā)現(xiàn)和識別,生物傳感器在推動醫(yī)學(xué)診斷和治療發(fā)展上顯得越來越重要。然而,由于生物傳感器在靈敏度、檢測范圍和檢測效率上的不足限制了其在生物分析上的進(jìn)一步應(yīng)用。DNA由于其堿基的互補(bǔ)配對的特異性和序列可編輯能力,結(jié)合其動力學(xué)可預(yù)測和生物相容性好的特點(diǎn)使得DNA納米技術(shù)在構(gòu)建高性能的生物傳感器上具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢。本論文工作立足于DNA納米技術(shù)與分析化學(xué)的交叉領(lǐng)域,利用DNA納米技術(shù)（包括結(jié)構(gòu)納米技術(shù)和動態(tài)納米技術(shù)）的優(yōu)越的可控性和功能性,解決分析化學(xué)中現(xiàn)有的技術(shù)難題,如靈敏度和檢測范圍等。圍繞著這個目的,本論文主要開展了以下相關(guān)工作:（1）超靈敏開關(guān)是生物實(shí)現(xiàn)非線性動力學(xué)行為的核心關(guān)鍵,而協(xié)同變構(gòu)則是構(gòu)建超靈敏開關(guān)的關(guān)鍵策略�；趨f(xié)同變構(gòu),生物可以實(shí)現(xiàn)輸入信號的微小變化放大為明顯變化的輸出信號,因此可以構(gòu)建超靈敏響應(yīng)的生物傳感器用以解決分析化學(xué)中輸入信號微弱變化的難題。在此,利用DNA適配體對配體具有高特異性,結(jié)合DNA鏈置換技術(shù)構(gòu)建配體響應(yīng)的非線性DNA輸入/輸出（I/O）控制器�；贒NA的可編輯特性設(shè)計(jì)不同數(shù)目的結(jié)合位點(diǎn)和連接域長度實(shí)現(xiàn)了DNA I/O控制器在1.0... 

【文章來源】：華東師范大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：113 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)

基于核酸化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的生物分析8圖1.2DNA的鏈置換反應(yīng)，其中在正向反應(yīng)中，鏈S取代了雙鏈D中的成員a，并使S成為自由鏈，堿基序列a和a’是相同的，但已被表示不同，使得鏈交換過程更加可視化，a*是a的互補(bǔ)鏈Figure1.2DNAstrand-displacementreactioninwhich,intheforwardreaction,strandS′displacesfromtheduplexDthememberawhichbecomesthefreestrandS.Basesequencesaanda′areidenticalbuthavebeendenoteddifferentlytoaidvisualizationoftheexchangeprocess.Basesequencea*iscomplementarytoa1.2.2.2toehold介導(dǎo)的鏈置換反應(yīng)通過增加三向分支遷移的交換頻率，toehold提供了一種提高鏈置換速率的途徑[64]。該過程如圖1.3所示。在從（A）到（F）的整體反應(yīng)過程中，Y鏈（同樣含有b域序列）作為“現(xiàn)任者”，被輸入鏈X從雙鏈底物S的h*b*上取代下來并輸出雙鏈L。toehold指的是雙鏈S上的單鏈擴(kuò)展區(qū)域h*。鏈置換反應(yīng)是從輸入鏈的h域雜交到toehold上開始啟動的（圖1.3中B）。Y的末端磨損使得輸入鏈X引發(fā)一個三向的分支遷移過程（圖1.3中C）。這一過程的第一步包括現(xiàn)任鏈從底物鏈分離一個堿基以使得輸入鏈可以順利通過更多堿基結(jié)合到底物上。這是一個隨機(jī)行走過程的初始步驟，在這個過程中，輸入鏈與現(xiàn)任鏈競爭與底物鏈的結(jié)合（圖1.3中D）。在這個分支遷移過程中分支點(diǎn)的單個堿基的每步平均時(shí)間約為12-20μs。圖1.2中E所示的正是當(dāng)現(xiàn)任鏈被輸入鏈取代到僅剩一個堿基時(shí)的分支點(diǎn)的情況。最后，現(xiàn)任鏈將被完全取代并且輸入鏈和底物鏈將完全雜交，形成雙鏈L（圖1.3中F）。由于缺少與現(xiàn)任鏈Y可以結(jié)合的toehold，從（F）到（E）的反應(yīng)的速率常數(shù)與從（A）到（B）的結(jié)合反應(yīng)的速率常數(shù)相比將會小的多。因此，toehold驅(qū)動反應(yīng)從（A）向（F）方向推進(jìn)

華東師范大學(xué)博士畢業(yè)論文9是相同濃度時(shí)，復(fù)合物L(fēng)與S的濃度比為[][]=√=Δ°2（1.1）其中kf是S+X→L+Y的總體或偽速率常數(shù)，而kr是逆向反應(yīng)對應(yīng)的速率常數(shù)，以及ΔG°是h與h*雜交的標(biāo)準(zhǔn)自由能。因?yàn)棣°對于越長的toehold數(shù)值越負(fù)，反應(yīng)平衡越推向圖1.3中（F）的情形。圖1.3toehold介導(dǎo)的三向分支遷移鏈置換反應(yīng)Figure1.3Toehold-mediatedstranddisplacementviathree-waybranchmigration實(shí)驗(yàn)中正向反應(yīng)的速率常數(shù)與toehold長度之間的關(guān)系如圖1.4所示。這些測量值基本符合理論預(yù)期值。對于更短的toehold，由于高的解離速率和隨機(jī)取向的分支遷移過程，輸入鏈通過toehold的雜交從而取代現(xiàn)任鏈的可能性很校而對于足夠長的toehold長度的解離的概率會小很多。因而，希望速率常數(shù)的數(shù)值會隨著toehold的長度的增加而增加并最終達(dá)到一個飽和值。Srinivas等人[73]開展了自由能景觀模型和粗糙增益分子動力學(xué)模擬以證明toehold介導(dǎo)的鏈置換反應(yīng)發(fā)生時(shí)的速率的定量預(yù)測。這項(xiàng)工作的兩個重要發(fā)現(xiàn)包括（1）單步分支遷移過程的速率明顯低于單個堿基對的磨損以及（2）分支遷移的觸發(fā)待了一個熱力學(xué)的懲罰由于交叉點(diǎn)處額外的懸掛堿基。通過oxDNA[74]所進(jìn)行的分子動力學(xué)模擬表明如果單步分支遷移的速率領(lǐng)先單個堿基對的磨損則需要進(jìn)行更大的結(jié)構(gòu)重排。此外，由于底物堆積的部分中斷和構(gòu)象自由度的降低會促使分支點(diǎn)的兩個堿基被迫分離。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Analogic China map constructed by DNA[J]. QIAN Lulu1,WANG Ying2,ZHANG Zhao1,ZHAO Jian1,PAN Dun2,ZHANG Yi2,LIU Qiang1,FAN Chunhai2,HU Jun1,2 & HE Lin1,3 1. Bio-X Center,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China; 2. Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China; 3. Institute for Nutritional Sciences,Shanghai Institutes of Biological Sciences,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200031,China.  Chinese Science Bulletin. 2006(24)



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