黄硕教授课题组：非二进制核酸编码探针实现通用纳米孔传感

daka

小分子、核酸和蛋白质的快速传感对于药物发现、临床诊断和环境监测都非常重要，但分析物种类繁多，且理化性质各有不同，想要使用单一的检测手段实现大量不同分析物的传感仍然是一个挑战。针对这一难点，一种可能的解决方法是将分析物的信息转化为可由单一检测方法读取的不同条形码信息。尽管计算机的0/1二进制深入人心，但其实自然界中大多不是二进制，核酸是四进制编码，蛋白质是二十进制编码，非二进制的编码往往具有更高的编码效率。道法自然，开发一种简单、高效的编码技术显得非常迫切。
        近日，我院黄硕教授课题组报道了一种新型的非二进制核酸编码技术，可实现通用的纳米孔传感。编码探针由人工合成的核酸链自组装形成，通过生物纳米孔直接读取解码。为了生成条形码信号，每个编码探针都包含不同数量和种类的信息结。在纳米孔读取过程中，每个信息结都会发生解旋并产生相应的电流平台（图1），从而可以在避免纳米孔测序的情况下构建出多平台的条形码信号。从图2可以看出，信息结的组成元素是高度可变的，任何一种可用于核酸合成的单体都可以作为组成元素。实验中，作者一共成功构建了14种独特的信息结，每种信息结的纳米孔信号在电流幅值和噪音特征上都表现出明显的不同。随后，作者又展示了分别包含有2/3/4/5个信息结的编码探针信号，每种编码信号都具有极强的可辨认性和极高的一致性。对于一个多级编码探针（包含多个信息结的编码探针）来说，它的每一个信息节都可以是这14种信息节中的一种，所以理论上n级编码探针的数量可以达到14n。与同样基于纳米孔读取的二进制编码工作相比，该研究中作者构建的编码库具有更高的编码效率以及更好的扩展性和多样性。

图1. 纳米孔直接读取分子条形码机理图。

图2. 可区分的14种核酸编码探针库。

        此外，作者使用核酸编码探针分别进行了蛋白质和miRNA的检测，通过两个简单的应用证实了该编码技术在应用中的可能性。针对不同分析物，可以使用不同的检测模式。
        该研究首次提出非二进制编码的策略，设计了一套完全基于人工合成的寡核苷酸链自组装的分子条形码。经过纳米孔的读取，条形码的顺序解旋会产生阶梯状的阻塞图案。基于作者开发出的14种不同的信息结，理论上可以产生14n种可区分的条形码。通过引入识别序列或亲和标签，具有纳米孔直接解码功能的非二进制条形码系统能以同时快速检测多种靶标物质，比如小分子、核酸和蛋白质等。该非二进制条形码系统大大提高了编码效率，并且通过在信息结中引入更多的亲和标签有望实现更多分析物的特异性传感。
        该工作以“Non-binary Encoded Nucleic Acid Barcodes Directly Readable by a Nanopore”为题，于2022年3月8日发表于《德国应用化学》（文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202116482，DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202116482）我院博士生阎双红和硕士生王栎荧为该论文的共同第一作者，我院黄硕教授为论文通讯作者，我院陈洪渊院士对该工作做出了重要指导。此项研究得到了生命分析化学国家重点实验室以及南京大学化学和生物医药创新研究院(ChemBIC)的重要支持，国家自然科学基金（项目编号：31972917、91753108、21675083）、中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号：020514380257、020514380261）、 江苏省高层次创业创新人才引进计划（个人、团体计划），江苏省自然科学基金（项目编号：BK20200009），南京大学优秀研究计划（项目编号：ZYJH004），上海市科技重大专项 ，南京大学生命科学分析化学国家重点实验室(项目编号：5431ZZXM1902)，南京大学科技创新基金资助项目，中国博士后科学基金（项目编号：2021M691508）等提供了经费支持。


          文章来源：南京大学
         黄硕，南京大学教授、博士生导师,2006年于南京大学物理系获得物理学学士学位；2011年于美国亚利桑那州立大学获得生物物理学博士学位； 导师是Stuart Lindsay教授；2011年至2014年在英国牛津大学从事博士后研究工作，导师是Hagan Bayley教授。 2015年7月应聘南京大学化学化工学院教授。现从事主要科研方向为具有仿生学概念的单分子纳米孔生物传感器的 新仪器，新技术的开发。以及基于纳米孔的单分子显微成像技术。其中在纳米孔单分子成像方面具有原创性技术， 具有国际前沿研发水平。目前已于国际权威期刊Nature Nanotechnology, Nano Letters, Journal of Physical Chemistry C, Nanotechnology, Review of Scientific Instrument发表论文9篇。总引用大于500次。 其中以第一作者发表Nature Nanotechnology 2篇，并入选2010年12月刊封面。已授权国际专利两项，并分别 转让Roche,OxfordNanopore Technologies等企业。