DNA折纸为可重复使用的多功能生物传感器提供了途径

加州理工学院的科学家们使用一种名为DNA折纸的方法，开发了一种技术，可以生产出更便宜、可重复使用的生物标志物传感器，用于快速检测体液中的蛋白质，从而消除了将样本送往实验室中心进行检测的需要

“我们的工作提供了一个概念证明，展示了一种可用于识别和测量核酸和蛋白质的单步方法，”加州理工学院计算和数学科学以及计算和神经系统客座研究员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》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即可对纳米级分子结构设计进行简单而精细控制的技术

从本质上讲，DNA折纸使长链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著名地使用该技术创建了直径为100纳米、厚度为2纳米的微型DNA笑脸）

研究人员从溶液中的长链DNA（支架）开始。因为组成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互补DNA的短序列，知道它们将在已知位置的两端结合到支架上

这些短的、添加的DNA片段折叠支架并赋予其形状，充当将结构固定在一起的“钉子”。然后，该技术可用于创建从北美和南美地图到纳米级晶体管的各种形状

在这项新工作中，Rothemund和他的同事们使用DNA折纸技术创造了一种类似小草帽的结构——一个直径约100纳米的平坦圆形表面，由DNA接头连接到金电极上。lilypad和电极都有短的DNA链，可以与分析物结合，分析物是溶液中感兴趣的分子，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，lilypad被拉到金表面，使lilypad上的70个报告分子（表明目标分子存在）与金表面接触。这些报告分子是氧化还原反应性分子，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感兴趣的分子

以前，使用单链DNA而不是DNA折纸结构开发了一种类似的制造生物传感器的方法。这项早期的工作是由加州大学圣巴巴拉分校的Kevin W.Plaxco（94届博士）领导的，他也是本论文的作者

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加州理工学院的Guareschi指出，与单链DNA相比，新的lilypad折纸很大。Guareschi说：“这意味着它可以在一个分子上安装70个报告器，并在结合之前使它们远离表面。然后，当分析物结合并且lilypad到达电极时，会有很大的信号增益，使这种变化易于检测。”

lilypad折纸相对较大的尺寸也意味着该系统可以很容易地容纳和检测较大的分子，如大蛋白质。在这篇新论文中，研究小组表明，lilypad和金表面上的两条短DNA链可以用作适配器，使其成为蛋白质而不是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，将系统变成蛋白质链霉抗生物素蛋白的传感器。然后，他们添加了一种DNA适配体，一种可以与特定蛋白质结合的DNA链；在这种情况下，他们使用了一种与一种名为血小板衍生生长因子BB（PDGF-BB）的蛋白质结合的适配体，该蛋白质可用于帮助诊断肝硬化和炎症性肠病等疾病

Guareschi说：“我们只需将这些简单的分子添加到系统中，它就可以感知到不同的东西了。”。“它足够大，可以容纳你扔给它的任何东西——可以是适配体、纳米体、抗体片段——而且不需要每次都完全重新设计。”

研究人员还表明，传感器可以重复使用几次，每轮都添加新的适配体进行不同的检测。虽然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

在未来，该团队希望该系统也可能对蛋白质组学有用，蛋白质组学是确定样本中蛋白质含量和浓度的研究。Guareschi说：“你可以同时使用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。你可以多次这样做。”。“在几个小时内，你可以使用一个系统测量数百种蛋白质。”

这篇论文“基于模块化DNA折纸的DNA和蛋白质电化学检测”的其他作者是加州大学洛杉矶分校的Jaimie M.Stewart；麻省理工学院的Emily Wu和Ashwin Gopinath、约翰·霍普金斯大学医学院的Netzahualcóyot Arroyo Currás、加拿大舍布鲁克大学的Philippe Dauphin Ducharme；纽约圣约翰大学的Philip S.Lukeman