非二進(jìn)制核酸編碼探針實(shí)現(xiàn)通用納米孔傳感
小分子、核酸和蛋白質(zhì)的快速傳感對(duì)于藥物發(fā)現(xiàn)、臨床診斷和環(huán)境監(jiān)測都非常重要，但分析物種類繁多，且理化性質(zhì)各有不同，想要使用單一的檢測手段實(shí)現(xiàn)大量不同分析物的傳感仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。針對(duì)這一難點(diǎn)，一種可能的解決方法是將分析物的信息轉(zhuǎn)化為可由單一檢測方法讀取的不同條形碼信息。盡管計(jì)算機(jī)的0/1二進(jìn)制深入人心，但其實(shí)自然界中大多不是二進(jìn)制，核酸是四進(jìn)制編碼，蛋白質(zhì)是二十進(jìn)制編碼，非二進(jìn)制的編碼往往具有更高的編碼效率。道法自然，開發(fā)一種簡單、高效的編碼技術(shù)顯得非常迫切。
近日，我院黃碩教授課題組報(bào)道了一種新型的非二進(jìn)制核酸編碼技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)通用的納米孔傳感。編碼探針由人工合成的核酸鏈自組裝形成，通過生物納米孔直接讀取解碼。為了生成條形碼信號(hào)，每個(gè)編碼探針都包含不同數(shù)量和種類的信息結(jié)。在納米孔讀取過程中，每個(gè)信息結(jié)都會(huì)發(fā)生解旋并產(chǎn)生相應(yīng)的電流平臺(tái)（圖1），從而可以在避免納米孔測序的情況下構(gòu)建出多平臺(tái)的條形碼信號(hào)。從圖2可以看出，信息結(jié)的組成元素是高度可變的，任何一種可用于核酸合成的單體都可以作為組成元素。實(shí)驗(yàn)中，作者一共成功構(gòu)建了14種獨(dú)特的信息結(jié)，每種信息結(jié)的納米孔信號(hào)在電流幅值和噪音特征上都表現(xiàn)出明顯的不同。隨后，作者又展示了分別包含有2/3/4/5個(gè)信息結(jié)的編碼探針信號(hào)，每種編碼信號(hào)都具有極強(qiáng)的可辨認(rèn)性和極高的一致性。對(duì)于一個(gè)多級(jí)編碼探針（包含多個(gè)信息結(jié)的編碼探針）來說，它的每一個(gè)信息節(jié)都可以是這14種信息節(jié)中的一種，所以理論上n級(jí)編碼探針的數(shù)量可以達(dá)到14n。與同樣基于納米孔讀取的二進(jìn)制編碼工作相比，該研究中作者構(gòu)建的編碼庫具有更高的編碼效率以及更好的擴(kuò)展性和多樣性。
圖1. 納米孔直接讀取分子條形碼機(jī)理圖。
圖2. 可區(qū)分的14種核酸編碼探針庫。
此外，作者使用核酸編碼探針分別進(jìn)行了蛋白質(zhì)和miRNA的檢測，通過兩個(gè)簡單的應(yīng)用證實(shí)了該編碼技術(shù)在應(yīng)用中的可能性。針對(duì)不同分析物，可以使用不同的檢測模式。
該研究首次提出非二進(jìn)制編碼的策略，設(shè)計(jì)了一套完全基于人工合成的寡核苷酸鏈自組裝的分子條形碼。經(jīng)過納米孔的讀取，條形碼的順序解旋會(huì)產(chǎn)生階梯狀的阻塞圖案。基于作者開發(fā)出的14種不同的信息結(jié)，理論上可以產(chǎn)生14n種可區(qū)分的條形碼。通過引入識(shí)別序列或親和標(biāo)簽，具有納米孔直接解碼功能的非二進(jìn)制條形碼系統(tǒng)能以同時(shí)快速檢測多種靶標(biāo)物質(zhì)，比如小分子、核酸和蛋白質(zhì)等。該非二進(jìn)制條形碼系統(tǒng)大大提高了編碼效率，并且通過在信息結(jié)中引入更多的親和標(biāo)簽有望實(shí)現(xiàn)更多分析物的特異性傳感。
該工作以“Non-binary Encoded Nucleic Acid Barcodes Directly Readable by a Nanopore”為題，于2022年3月8日發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202116482，DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202116482）我院博士生閻雙紅和碩士生王櫟熒為該論文的共同第一作者，我院黃碩教授為論文通訊作者，我院陳洪淵院士對(duì)該工作做出了重要指導(dǎo)。此項(xiàng)研究得到了生命分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及南京大學(xué)化學(xué)和生物醫(yī)藥創(chuàng)新研究院(ChemBIC)的重要支持，國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：31972917、91753108、21675083）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（項(xiàng)目編號(hào)：020514380257、020514380261）、 江蘇省高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才引進(jìn)計(jì)劃（個(gè)人、團(tuán)體計(jì)劃），江蘇省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：BK20200009），南京大學(xué)優(yōu)秀研究計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：ZYJH004），上海市科技重大專項(xiàng) ，南京大學(xué)生命科學(xué)分析化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(項(xiàng)目編號(hào)：5431ZZXM1902)，南京大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目，中國博士后科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：2021M691508）等提供了經(jīng)費(fèi)支持。
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