面对抗生素滥用引起的其在环境或食品介质中的残留污染，如何发展有效方法来实现复杂基质中抗生素污染物的方便快速检测具有十分重要的意义。近期，我院赖国松教授课题组将基于功能核酸设计的目标物特异性识别作用与相关等温核酸信号放大技术相结合，在性能优良的抗生素光、电生物传感新策略研究领域取得系列研究进展。
其中，将核酸外切酶催化循环与环状四足DNA步行机信号放大作用相结合，成功发展了一种基于光电极“on-off-super on”信号转换的光电化学生物传感新策略。该工作以“Exonuclease-catalyzed recycling and annular four-footed DNA walking amplification-assisted “on-off-super on” signal transitions for photoelectrochemical biosensing of kanamycin” （核酸外切酶催化循环及环状四足DNA步行放大辅助的“on-off-super on”信号转换用于卡那霉素光电化学生物传感）为题，发表于Biosensors and Bioelectronics（《生物传感器和生物电子学》）。2021级研究生王佳浩为论文第一作者，赖国松教授为论文通讯作者，湖北师范大学为论文唯一通讯单位。Biosensors and Bioelectronics系ELSEVIER出版社旗下国际知名期刊，SCI中科院大类一区，最新影响因子为12.6。
有机半导体PTCDA修饰光电传感平台上固定的二茂铁(Fc)标记发夹DNA可很好抑制其强阳极光电流而产生低背景信号，目标物识别反应触发的核酸外切酶III (Exo III)辅助双重循环可释放一条亚甲基蓝(MB)标记核酸并组装生成一种环状四足DNA步行机(AFW)。利用此AFW在上述光电传感平台上的高效步行来定量释放Fc并同时杂交捕获MB标记核酸，即可实现传感平台“super on”光电流输出。由于该信号转导策略的低背景优势和基于AFW的多重信号放大作用，该生物传感方法不仅操作简单，而且具有很高的分析灵敏度。
光电传感平台构建和基于目标物识别反应触发“super on”信号输出的生物传感原理示意图
利用目标物生物识别作用触发的超支化滚环扩增(RCA)反应来构建一种镁离子DNA酶(MNAzyme)修饰的树枝状DNA纳米结构，成功发展了一种比率型荧光生物传感新策略。该工作以“Hyperbranched RCA-mediated construction of a dendritic DNA nanostructure for ratiometric fluorescence biosensing” （超支化RCA介导树枝状DNA纳米结构构建用于比率荧光生物传感）为题，发表于Sensors and Actuators: B. Chemical（《传感器和执行器 B：化学》）。2021级研究生梁盼为论文第一作者，赖国松教授为论文通讯作者，湖北师范大学为论文唯一通讯单位。Sensors and Actuators: B. Chemical系ELSEVIER出版社旗下国际知名期刊，SCI中科院大类一区，最新影响因子为8.4。
一方面，该纳米结构上的MNAzyme可催化剪切同时标记有FAM荧光基团及其猝灭基团的信号探针DNA实现“signal-on”荧光输出；另一方面，该纳米结构在形成支链过程中对标记有2-氨基嘌呤(2-AP)荧光团的发夹DNA的杂交结合，可有效抑制2-AP荧光信号实现“signal-off”荧光输出，从而建立起该比率型信号转导策略。除了Exo III辅助目标物识别反应循环和该DNA纳米结构上高含量MNAzyme的信号放大作用以外，纳米结构的限域效应还有效促进了均相反应速率提高，因而使得此方法具有很好的分析性能。
超支化RCA介导树枝状DNA纳米结构构建以输出反向比率荧光信号示意图
利用目标物识别反应来引发一种G-四链体功能化DNA纳米网状结构的放大组装，成功发展了一种基于标记核酸的新颖聚集诱导发光(AIE)生物传感策略。该工作以“Amplified assembly of G-quadruplex-decorated DNA network nanostructure toward AIE signaling-based sensitive biosensing” （G-四链体修饰DNA网状纳米结构的放大组装用于AIE信号输出的灵敏生物传感）为题，发表于ACS Sensors（《美国化学会 传感器》）。2021级研究生韩易成为论文第一作者，赖国松教授和香港中文大学（深圳）刘国珍教授为论文共同通讯作者，湖北师范大学为论文第一通讯单位。ACS Sensors系ACS出版社旗下国际知名期刊，SCI中科院大类一区，最新影响因子为8.9。
通过巧妙的核苷酸设计，Exo III辅助的特异性目标物识别作用可触发级联滚环扩增并进一步引发四种DNA单体之间的交叉杂交链反应，从而构建起该有序DNA纳米结构。基于对四苯乙烯标记DNA探针(DTPE)在该纳米结构上的高含量捕获，以及与之临近的G-四链体对其自由运动的极大抑制，成功实现了很强AIE荧光输出以构建该方法的信号转导策略。同时，DTPE的优异水溶性还使得该方法具有很低的背景信号。由于目标物循环和滚换扩增反应对该DNA纳米结构的协同放大组装，该方法表现出十分优异的分析性能，可用于发展一种具有很好实用价值的非PCR荧光检测试剂盒。此外，该新颖传感机制也可为有效拓展AIE技术在分析科学领域中的应用提供有益指导。
基于G-四链体修饰DNA网状纳米结构放大组装的AIE荧光生物传感示意图
以上工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。
论文信息：
1. Exonuclease-catalyzed recycling and annular four-footed DNA walking amplification-assisted “on-off-super on” signal transitions for photoelectrochemical biosensing of kanamycin
Jiahao Wang, Jing Chen, Wan Huang, Xin Li, Guosong Lai*
Biosensors and Bioelectronics, 2024, 246, 115894
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115894
2. Hyperbranched RCA-mediated construction of a dendritic DNA nanostructure for ratiometric fluorescence biosensing
Pan Liang, Jing Li, Zhixiong Pi, Xiuwen Zhang, Xiaoxiao Yu, Guosong Lai*
Sensors and Actuators: B. Chemical,2024, 412, 135797
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135797
3. Amplified assembly of G-quadruplex-decorated DNA network nanostructure toward AIE signaling-based sensitive biosensing
Yicheng Han, Yingying You, Xiaoyue Xu, Xin Li, Guozhen Liu*, Guosong Lai*
ACS Sensors, 2024, 9, 1749–1755
论文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.3c02594
