復(fù)雜生物樣品中超低濃度的核酸檢測需要高特異性和高靈敏度的熒光探針。近日，南方科技大學(xué)田雷蕾課題組開發(fā)了一種新型的有機(jī)發(fā)光“球形核酸”（spherical nucleic acid，SNA），利用熒光π共軛聚合物作為光捕獲天線來增強(qiáng)核酸檢測的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了超低濃度的核酸檢測。
生物樣品中超低濃度的核酸通常需要擴(kuò)增技術(shù)來提高靈敏度，例如PCR技術(shù)等。然而，核酸擴(kuò)增技術(shù)需要設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室和訓(xùn)練有素的專業(yè)人員，而且通常需要樣品純化過程且依賴于聚合酶，這限制了其在細(xì)胞和活體檢測中的應(yīng)用?；诤唵坞s交互補(bǔ)的熒光傳感器可以直接檢測與目標(biāo)核酸的雜交信號(hào)，是最簡單、高效的傳感方式。但為了解決其靈敏度低的問題，需要設(shè)計(jì)出具有更大熒光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)效率的新型探針。
最近，基于熒光π共軛聚合物（fluorescent conjugated polymer，F(xiàn)CPs）的納米材料在生物成像和生物傳感領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。FCPs在以下方面顯示出優(yōu)勢：（1）由于極高的光捕獲能力，F(xiàn)CPs熒光信號(hào)強(qiáng)度高；（2）由于FCPs具有離域的電子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)π-π相互作用，因此能量可以有效地在聚合物鏈內(nèi)及鏈間傳遞，這賦予了FCP極靈敏的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)能力。（3）FCPs具有多樣和可調(diào)的光色，可以靈活地匹配各類熒光受體，實(shí)現(xiàn)最大的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）效率。
圖1. PFBT-g-DNA的合成與納米“球形核酸”組裝。 基于上述，田雷蕾課題組首次以熒光共軛聚合物PFBT為疏水主鏈，在側(cè)鏈通過“click reaction”接枝DNA序列，制備了雙親性聚合物PFBT-g-DNA。該方法合成效率高，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)明確。PFBT-g-DNA雙親聚合物在疏水作用下自組裝形成“球形核酸”結(jié)構(gòu)（FCP-SNA），提高了共軛聚合物的生物相容性，同時(shí)有效提高了核酸探針的生物穩(wěn)定性和細(xì)胞遞送效率（圖1）。 圖2. 尺寸調(diào)控的“光捕獲天線放大效應(yīng)”。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，利用共軛聚合物的“光捕獲天線效應(yīng)”可以實(shí)現(xiàn)核酸傳感信號(hào)的有效放大,共軛聚合物獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)決定其在納米“球形核酸”結(jié)構(gòu)內(nèi)能量轉(zhuǎn)移的范圍可超越F?rster半徑。因此通過調(diào)節(jié)PFBT-g-DNA雙親聚合物上接枝DNA的數(shù)量可以有效調(diào)控FCP-SNA“球形核酸”的尺寸，更大的“球形核酸”由更多的發(fā)色團(tuán)組成，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)受體Cy5熒光信號(hào)37倍的放大（圖2）。 圖3. FCP-SNA/Cy5-cDNA超靈敏檢測microRNA的原理示意圖及其信檢測性能。 在最終的應(yīng)用研究中，將FCP-SNA設(shè)計(jì)成檢測microRNA的熒光探針（圖3），最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)microRNA的高特異、高靈敏（檢測限可達(dá)到1.7 pM）的檢測，可用于單細(xì)胞水平的microRNA成像。由此可見，這種基于π熒光共軛聚合物的“球形核酸”探針在分子生物學(xué)、藥物篩選、病理分析領(lǐng)域，將具有很好的應(yīng)用潛力。 論文信息： Light-Harvesting Fluorescent Spherical Nucleic Acids Self-assembled from a DNA-Grafted Conjugated Polymer for Amplified Detection of Nucleic Acids Fan Xiao,Xiaofeng Fang,Hongyan Li,Hanbing Xue,Zixiang Wei,Wenkang Zhang,Yulin Zhu,Li Lin,Yan Zhao,Changfeng Wu,Leilei Tian 論文第一作者是2017級(jí)南科大-哈工大聯(lián)合培養(yǎng)博士生肖凡。論文感謝南科大生醫(yī)工系吳長鋒教授、房曉峰助理教授，以及南科大生命學(xué)院趙燕助理教授、薛漢兵博士，在熒光π共軛聚合物合成以及細(xì)胞實(shí)驗(yàn)方面提供的幫助。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202115812
