發(fā)布時間：2018-06-20 12:01

  本文選題：分子手性 + 核酸自組裝�。� 參考：《華中科技大學》2016年博士論文

【摘要】：手性是自然界的基本屬性之一,構(gòu)成生命體的生物大分子大多是以手性小分子為基元構(gòu)成的。因此,生命體內(nèi)的絕大多數(shù)生理和生物行為都與分子手性息息相關(guān)。為了探索生命體內(nèi)手性選擇性的奧秘,揭示自然界中手性現(xiàn)象的本質(zhì),本論文將生物大分子的自身屬性——手性與自然界的普遍現(xiàn)象——核酸自組裝有機結(jié)合,研究分子手性對核酸自組裝的調(diào)控作用,并應用于生物傳感器中,探索分子手性對特定目標分子檢測性能的調(diào)控(包括檢測限、靈敏度和線性范圍等),為開發(fā)新型納米生物材料和器件開啟新的方向,并為臨床疾病的早期診斷提供新的思路。本論文的主要內(nèi)容包括四個方面：(1)以巰基和亞甲基藍修飾的DNA為模型分子,探討其在N-異丁酰基-D(L)-半胱氨酸(NIBC)修飾的金表面的組裝行為,由于L-NIBC修飾表面對DNA有更強的吸附作用導致亞甲基藍離金表面距離更近,所以其在L-表面的峰電流比對應的D-表面的峰電流大。進一步地,在手性表面引入與模型分子互補的核酸分子,通過方波伏安法(SWV)、石英晶體微天平(QCM)和電化學阻抗譜(EIS)等手段研究了表面手性對DNA雜交效率的調(diào)控作用。結(jié)果表明D-表面的雜交效率比L-表面的雜交效率高,并實現(xiàn)了分子手性對靈敏度的調(diào)控。此外,將該體系引入到復雜基質(zhì)中,以滿足復雜生物樣品測試的需求,為臨床診斷、基因治療及相關(guān)領(lǐng)域研究提供幫助,并有助于更深層次理解自然界中手性現(xiàn)象的本質(zhì)。(2)將具有信號放大機制的“三明治”結(jié)構(gòu)DNA與手性分子有機結(jié)合,以電化學生物傳感器為平臺,探索分子手性對“傳統(tǒng)三明治”和“超級三明治”結(jié)構(gòu)DNA檢測效率的調(diào)控作用。結(jié)果表明,D-NIBC構(gòu)筑的“超級三明治”結(jié)構(gòu)DNA的檢測效率比L-NIBC構(gòu)筑的“超級三明治”結(jié)構(gòu)DNA的檢測效率更強,檢測限相差2個數(shù)量級。該體系通過“超級三明治”結(jié)構(gòu)DNA不僅放大了分子手性對雜交效率的調(diào)控能力,而且不同手性分子修飾的“超級三明治”結(jié)構(gòu)對“傳統(tǒng)三明治”結(jié)構(gòu)檢測核酸時的信號放大能力差異顯著,即使在復雜生物體系中檢測效率的差異仍然存在。證明了手性有望成為核酸雜交調(diào)控的新手段,并為進一步揭示生命體手性選擇性的奧秘開啟新的方向。(3)研究了分子手性誘導的DNA探針用于超靈敏單核苷核苷酸多態(tài)性(SNP)分析。在檢測完全互補靶分子時,L-色氨酸孵育的傳感器比對應的D-色氨酸孵育傳感器的檢測效率低,且二者檢測效率的差異較大：而在檢測單堿基錯配靶分子時二者檢測效率的差異不顯著。利用手性傳感器檢測效率差異的不同,實現(xiàn)了高靈敏的SNP分析,SNP檢測的區(qū)分因子中值為7.21。此外，，我們還通過“超級三明治”結(jié)構(gòu)進一步提升了特異性,區(qū)分因子的中值增加到38.71,“超級三明治”結(jié)構(gòu)不僅改善了靈敏度,還提高了特異性。手性是生命體系中最重要的生化屬性之一,因此該成果將有助于發(fā)展新的生物器件,并對復雜體系中的臨床診斷提供新的方法和思路。(4)利用堿基錯配的原理設計了不同親和力的雙鏈探針,并調(diào)控了ATP適配體傳感器的線性范圍。通過共組裝不同親和力的雙標記雙鏈探針,成功實現(xiàn)了線性范圍的同步拓寬,線性范圍對應靶分子濃度跨度從81倍增加到6400倍：通過組裝無標記的高親和力探針和雙標記的低親和力探針,實現(xiàn)了線性范圍的同步縮窄,線性范圍對應靶分子濃度跨度縮小至10倍;通過組裝單標記的高親和力探針和雙標記的低親和力探針,實現(xiàn)了線性范圍的異向調(diào)控,同時拓寬了線性范圍并提高了靈敏度。適配體傳感器線性范圍的可控調(diào)節(jié)將有助于克服生物分子識別在生物燃料電池及生物電子邏輯門中的局限性,更有助于拓展生物傳感器在臨床診斷中的應用范圍。
[Abstract]:Chiral is one of the basic properties of nature. Most of the biological macromolecules are composed of chiral small molecules. Therefore, most of the physiological and biological behaviors in life are closely related to molecular chirality. In order to explore the mysteries of chiral selectivity in life, the essence of chiral phenomena in nature is revealed. In this paper, the self-assembly of chiral macromolecules - chiral and natural phenomena - nucleic acid self-assembly is organically combined, and the regulation of molecular chirality on nucleic acid self-assembly is studied and used in biosensors to explore the regulation of molecular chirality on the detection performance of specific target molecules (including detection limit, sensitivity and linear range, etc.) In order to open new directions for the development of new nano biomaterials and devices and provide new ideas for the early diagnosis of clinical diseases, the main contents of this paper include four aspects: (1) the assembly behavior of DNA modified gold surface modified by N- isobutylyl -D (L) - cysteine (NIBC) was studied by using mercapto and methylene blue modified as model molecules. As the L-NIBC modified surface has a stronger adsorption to DNA, the methylene blue is closer to the gold surface, so the peak current on the L- surface is larger than that of the corresponding D- surface. Further, the nucleic acid molecules complementary to the model molecules on the chiral surface are introduced by Fang Bo volt ampere (SWV), quartz crystal microbalance (QCM) and electrochemistry. The effect of surface chirality on the efficiency of DNA hybridization was studied by means of impedance spectroscopy (EIS). The results showed that the hybridization efficiency of the D- surface was higher than that of the L- surface, and the sensitivity was regulated by the molecular chirality. In addition, the system was introduced into the complex matrix to meet the needs of the complex biological sample test and the clinical diagnosis. The study of treatment and related fields helps to further understand the nature of chiral phenomena in nature. (2) the combination of "sandwich" structure DNA with signal amplification mechanism is organically combined with chiral molecules, and an electrochemical biosensor is used as a platform to explore the hand nature of "traditional sandwiches" and "super sandwiches". The results show that the detection efficiency of "super sandwich" structure DNA constructed by D-NIBC is more efficient than that of "super sandwich" structure DNA, which is constructed by L-NIBC, and the difference of detection limit is 2 orders of magnitude. The system not only amplifies the modulation of molecular chirality to the hybridization efficiency through the "super sandwich" structure DNA. Control ability, and the different chiral molecular modified "super sandwich" structure has significant difference in the signal amplification ability of the "traditional sandwich" structure detection nucleic acid. Even in the complex biological system, the difference of detection efficiency still exists. It is proved that chiral is expected to be a new part of nucleic acid hybridization regulation, and to further reveal the life. The new direction of the chiral selectivity of the body is opened. (3) the molecular chiral DNA probe is used to analyze the ultra sensitive mononucleotide polymorphism (SNP) analysis. The detection efficiency of the L- tryptophan incubating sensor is lower than that of the corresponding D- tryptophan incubating sensor when detecting the fully complementary target molecules, and the difference of the detection efficiency is larger than that of the corresponding D- tryptophan incubating sensor. There is no significant difference in the detection efficiency between the two of the single base mismatch targets. The high sensitive SNP analysis is achieved by using the difference of the detection efficiency of the chiral sensor. The median of the SNP detection is 7.21.. We also increase the specificity of the "super sandwich" structure, and increase the median of the differentiation factor. Adding to 38.71, the "super sandwich" structure not only improves the sensitivity, but also improves the specificity. Chirality is one of the most important biochemical properties in the life system. Therefore, the results will help to develop new biological devices and provide new methods and ideas for the clinical diagnosis of complex systems. (4) the principle of using base mismatch is not designed. The same affinity double stranded probe regulates the linear range of the ATP aptamer sensor. By CO assembling the dual labelled double stranded probes with different affinity, the linear range is successfully synchronized. The linear range increases to 6400 times from 81 times to the target molecular concentration: by assembling unlabeled high affinity probes and double markers The low affinity probe realizes synchronous narrowing in linear range, and the linear range decreases to 10 times of the target molecular concentration span. By assembling a single labeled high affinity probe and a double labeled low affinity probe, the linear range is controlled, and the linear range is widened and the sensitivity is increased. The linear norm of the aptamer sensor is linear. The controllable regulation will help to overcome the limitations of biomolecular recognition in biofuel batteries and bio electronic logic gates, and will help to expand the application of biosensors in clinical diagnosis.
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O629.74;TP212.3

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本文編號：2044185