DNA和氧化石墨烯的“冰与火之歌”

生物分子修饰的纳米材料在生物传感、药物输送、自组装以及生物催化等领域应用广泛，理解生物分子在材料表面的吸附行为对构筑有效的纳米生物材料至关重要。由于生物分子的结构与功能受温度影响较大，其吸附多发生在4-37 ºC的温度范围内。高温下，蛋白质容易变性，而低温下，化学反应速率下降；极端情况下（如冷冻）纳米材料可发生不可逆聚集。滑铁卢大学刘珏文教授（点击查看介绍）课题组在DNA/纳米材料体系中做了大量的基础研究工作，在2017年报道了冷冻可诱导巯基DNA在纳米金表面的自组装，无需“盐老化”或表面活性剂的保护，快速制备高密度的球形核酸（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 9471-9474）。后续工作表明，冷冻形成的微环境可诱导DNA采取更加伸展的构象并发生分子间的自组装（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 2109-2113）。最近，课题组研究发现，相比于室温，DNA在冷冻和高温两种极端温度下，均可更稳定地吸附于纳米材料。然而，DNA吸附的机理却截然相反。相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.。

作为二维材料的代表，氧化石墨烯（GO）在生物纳米领域非常活跃，通过物理吸附DNA构成的传感界面被广泛应用。需指出的是，GO由含氧官能团的亲水区域以及石墨烯自身的疏水区域所组成（图1）。室温下，DNA可通过多种作用力（如氢键、π-π堆积）吸附于GO的不同区域，并且，较高的盐浓度导致DNA采取更加紧凑的构象。“盐休克”实验表明，室温下DNA的吸附并不稳定，超过50%的DNA可发生解吸附，而无论是通过冷冻-解冻还是升温-降温的方式，DNA的吸附稳定性都得到显著提高。加入高浓度的尿素可破环氢键作用，结果表明，冷冻和室温下的主要吸附作用力均为氢键，而冷冻的拉伸效应促使DNA采取更加伸展的构象吸附在GO表面。与之相反，高温则更加有利于分子间的疏水作用。理论计算表明，278 K时，DNA通过氢键迅速地吸附于含氧较多的亲水区域，而358 K时，则通过π-π堆积吸附于石墨烯区域。

图1. 上图：DNA在氧化石墨烯不同区域吸附以及温度影响的示意图。左下：不同序列DNA吸附强度比较。右下：计算机模拟DNA在氧化区域（左）和石墨烯区域（右）的吸附状态。

增强DNA的吸附稳定性对其应用有何意义呢？传统的“OFF-ON”传感界面中，探针分子吸附力较弱，容易造成非特异性解吸附，尤其是在生物复杂环境下，大量的蛋白会迅速取代探针DNA。例如在1%胎牛血清中，靶标（10 nM）产生的信号差（ΔF）仅比环境造成的信号差（ΔF₀）高30%。更加理想的设计是将吸附位点和传感位点分离，再辅以大量蛋白分子进行封闭，而这其中最关键的是吸附位点的作用力足以抵御封闭蛋白的取代。课题组通过优化DNA序列和加热的方式，最大化DNA在GO疏水区域的吸附。设计的嵌段DNA传感界面可以在50%胎牛血清中非常稳定，几乎没有非特异性的解吸附。加入同样浓度的靶标（10 nM）时，其ΔF/ΔF₀值超过30，极大地抑制了背景信号的扰乱，实验了物理吸附的传感界面在实际样品中的应用（图2）。该工作中的理论计算部分由郑州大学关绍康教授课题组和河南大学贾瑜课题组的博士生赵玉在刘珏文课题组访学期间完成。

图2. 传统DNA传感器（左）和加热制备的嵌段DNA传感器（右）。

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Heating Drives DNA to Hydrophobic Regions While Freezing Drives DNA to Hydrophilic Regions of Graphene Oxide for Highly Robust Biosensors

Biwu Liu, Yu Zhao, Yu Jia, Juewen Liu*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c07028

研究团队介绍

刘必武，滑铁卢大学博士后，2006年博士毕业于滑铁卢大学，师从刘珏文教授，主要研究功能核酸修饰的纳米材料在。迄今以第一或共同第一作者在J. Am. Chem. Soc.（4），Angew. Chem. Int. Ed.（2），Anal. Chem.（2），Mater. Horiz.（1），Matter (1)等国际学术期刊上发表24篇学术论文，被引用3000余次，H-index 34, 2篇入选ESI高被引论文，获国家优秀自费留学生奖学金（2015）等奖励。刘必武博士将入职西安交通大学生命科学与技术学院（西安交通大学青年拔尖人才支持计划A类）。

刘珏文，加拿大滑铁卢大学化学系教授，博士生导师。2000年获得中国科技大学化学本科学位。2005年获美国伊利诺伊大学化学系博士学位。自2009年起受聘于加拿大滑铁卢大学。获得加拿大化学会Fred Beamish奖，和McBryde奖章，并于2019年入选加拿大皇家学会（青年学院）。近年来发表期刊研究论文共计300余篇, 引用数达25000余次。H-index为76。担任Biosensors & Bioelectronics 杂志核酸部分编辑，Trends in Analytical Chemistry (TrAC)，《中国化学快报》和FACETS副主编，Journal of Analysis and Testing 编委，和Langmuir，Sensors, Particle and Particle Systems Characterization 编委会顾问。现主要从事核酸酶，纳米材料和软物质的分析化学，物理化学，以及表面性质的研究。

https://www.x-mol.com/university/faculty/75566