基于功能性核酸识别的荧光各向异性分析方法与应用

荧光各向异性方法又称荧光偏振法,基于相互作用的分子结合前后发射光退偏振的不同而实现对相互作用的研究或对目标物的检测。20世纪50年代Gregorio Weber用荧光各向异性法研究了氮磺酰氯与牛血清白蛋白和卵清白蛋白的作用,开启了该方法在生物化学研究中应用的先河。而20世纪90年代开始的功能性核酸(FNAs,包括核酸适配体和核酸酶等)的发现与合成,使基于功能性核酸的传感得到了广泛的应用。核酸适配体能够特异性识别目标分子,基于核酸识别的荧光各向异性分析方法具有高选择性、高灵敏度、高通量等优势,在研究蛋白质、核酸和小分子的相互作用中起到重要作用,然而如何提高结合前后的荧光各向异性信号变化,尤其是小分子识别前后,在基于功能性核酸识别的分析方法发展中是一个挑战。介绍了基于功能性核酸识别的荧光各向异性的方法应用于检测蛋白质、核酸及其他在生命活动中起重要作用的小分子的基本原理及设计理念。     

金属离子及其配合物荧光探针在核酸分析中的应用

核酸是生命现象的物质基础,对于核酸的研究已经成为生命科学的重要内容。荧光法是研究核酸结构、功能和定性、定量的一种重要方法,而稀土离子及其配合物是荧光分析中最常用的探针技术。本文介绍了近十几年来稀土离子及其配合物荧光探针在核酸分析中的应用。     

核酸与有机小分子反应机理的荧光特性研究

核酸与有机小分子的反应机理对认识核酸的结构与功能具有重要作用,也是揭示核酸的生物功能与一些药物的作用机制的重要途径。研究核酸与有机小分子之间的相互作用对生命过程的模拟和生命本质的探索具有十分重要的意义,并对近年来该领域采用的荧光光谱法进行了综述,从温度、双分子猝灭过程的速率常数、荧光寿命以及吸收光谱的变化等方面作了论述,从而确定了核酸与有机小分子(染料和药物)之间相互作用的荧光猝灭类型;总结了结合常数、荧光给体-受体间的作用距离、作用力类型及结合方式的多种求算方法,并分别阐述了核酸与染料及药物在不同结合数下生成常数的计算方法。这对研究核酸与有机小分子之间的作用机理、开发新的核酸探针以及以核酸为靶标的药物分子的设计有一定的指导意义。     

核酸功能化纳米探针在细胞荧光成像中的应用

核酸是携带遗传信息的物质,既存在于自然界中也能够通过成熟技术人工合成。通过体外筛选技术还可以筛选出具有特殊功能的核酸序列,例如核酸适体和脱氧核酶。核酸通过沃森-克里克碱基互补配对原则进行杂交,具有很强的专一性。无论是通过序列设计还是体外筛选,核酸探针在生物标志物的分析与成像应用方面都发挥着重要作用。纳米材料辅助构建核酸功能化纳米探针,可以保护负载的核酸探针不被核酸酶降解,并且无需转染试剂就能进入细胞,在细胞荧光成像应用上具有很大优势。为解决细胞内有些生物标志物含量低、难于检测的问题,目前已构建多种适用于细胞水平的成像信号放大方法来实现对低丰度生物标志物的高灵敏成像。本文主要综述了核酸功能化纳米探针在细胞荧光成像中的应用进展,包括反义寡核苷酸功能化纳米探针、核酸适体功能化纳米探针、脱氧核酶功能化纳米探针等,同时介绍了他们在成像信号放大中的应用。     

解读生命密码——人类基因组计划

DNA测序技术的自动化使得人类基因组测序工作在启动10年后就已接近完成,从物理学的角度来,生物体是工作在单分子水平上的多层次综合的信息、能量和物质加工转换系统,关于生物生长发育和遗传的信息记录在线型分子——核酸的碱基序列中,每个基因是编码一个蛋白质的核酸片段,这些蛋白质分子是机器的主要零部件,首次人类基因组测序的完成,只是生命密码破译的开始,而不是结束,年轻的物理学家应积极地参与揭示生命本质的活动。     

基于裂开型核酸适体非标记荧光法检测ATP

基于裂开型核酸适体序列短、能有效降低因探针形成二级结构产生假阳性信号等优点,选择裂开型核酸适体作为特异性识别探针,核酸染料噻唑橙（TO）为信号探针,用单壁碳纳米管（SWCNTs）降低背景信号,利用“适配体-目标分子-适配体”的“三明治”夹心方式,建立了一种检测ATP的新方法。在pH 8.0的Tris-HCl缓冲溶液中,裂开成两段的ATP适体特异性识别ATP分子,生成稳定的“适配体-ATP-适配体”复合结构。单壁碳纳米管对该复合结构的吸附力较弱,因此该复合物游离在溶液中,TO与其结合而产生强荧光。当不存在ATP时,核酸适体探针以单链状态存在,可通过π-π共轭作用结合到SWCNTs表面,进而不能与TO结合,TO游离在溶液中荧光非常微弱。反应体系中ATP浓度越高,形成的“适配体-ATP-适配体”夹心识别结构复合物越多,检测到的荧光强度越大,据此实现对ATP的检测。在优化实验条件下,在最大荧光发射波长550 nm处,ATP的浓度在9.0×10-9～1.0×10-7 mol·L-1范围内与ΔF/F₀值成线性关系,r=0.996 4。该方法加标回收率为95.2%～104%,相对标准偏差（RSD）为1.02%～4.54%,检出限达到2.67×10-9 mol·L-1。该方法基于功能核酸对目标物亲合力强、选择识别性高的特点,对ATP的检测表现出很好的选择性,实验结果表明,当相对误差控制在±5%以内时,200倍的UTP,GTP和CTP均不干扰ATP的测定。另外,该方法操作简单、快速、无需标记、灵敏准确,可用于血清样品中ATP的测定,在快速检测小分子物质领域中有较好的应用前景。     

荧光光谱法测定核酸的研究

研究了花菁Ⅱ与核酸的相互作用,发现在核酸的存在下,花菁Ⅱ的荧光被明显地猝灭,且猝灭程度与核酸的浓度存在良好的线性关系.     

共振光散射技术测定核酸的研究进展

核酸分析是生命科学研究中最重要的技术之一。目前主要是应用核酸内源紫外吸收光谱的紫外分光光度法和基于荧光探针分子与核酸相互作用的荧光分光光度法。紫外分光光度法灵敏度低 ,荧光分光光度法试剂昂贵 ,有毒性。近年来 ,共振光散射技术在核酸分析中的应用得到了迅速的发展。核酸的共振光散射分析方法可以用普通的荧光分光光度计进行测定 ,应用安全、便宜的试剂获得很高的灵敏度。简要介绍了共振光散射分析的基本原理 ,并对近年来利用共振光散射技术分析核酸的研究进行了评述。内容主要包括利用有机染料分子作为核酸的共振光散射探针的分析方法 ;基于阳离子表面活性剂、金属离子及其络合物以及药物与核酸相互作用的分析方法 ;核酸形成大粒子的散射分析方法。     

核酸识体的研究及应用

核酸识体(aptamer)是近年来发展起来的一类经体外人工进化程序筛选出的寡聚核苷酸。它能高效、特异地结合各种配体，在蛋白质的分析检测、医学诊断治疗、生物传感器和分子开关的开发等方面有很大的应用前景，文章对核酸识体的研究和应用进展进行了综述。     

面向原子制造的框架核酸研究进展

框架核酸是核酸分子通过自组装形成的一维到三维的框架结构,不仅能精准定位功能基元,还可实现在纳米甚至原子级尺度上进行力学、光学和电学等物理性质,以及单分子水平化学与生化反应的精准调控.利用框架核酸对物质进行原子级的人工自组装,可实现基本构筑单元的精准物理排布与功能化集成,进而实现器件制造,有望推动从原子到宏观的精确功能化的制备.本文围绕框架核酸和原子制造两大前沿的交叉领域,阐述框架核酸在原子级精准构筑方面的可行性和优势,首先介绍了具有原子级精准性的框架核酸的构建,以及利用框架核酸进行功能化组装的一般策略,然后着重探讨框架核酸在器件构筑方面的研究进展,最后就面向原子制造的未来发展方向进行了展望.     

Spectroscopic Studies of α,γ-Disubstituted Trimethine Cyanine: New Fluorescent Dye for Nucleic Acids

Spectral properties of 3-methyl-2-3-[3-methyl-1,3-benzothiazolo-2(3H)-ylidene]-1,4-cylopentadien-1-yl-1,3-benzothiazolo-3-ium tosylate (Cyan-Cpentd) in a free state and in the complexes with nucleic acids and synthetic polynucleotides have been investigated by absorption and fluorescence spectroscopy. Significant fluorescence intensity enhancement of dye-nucleic acids complexes is observed. For the first time Cyan-Cpentd is proposed as a new probe for nucleic acid detection. Binding mechanism of Cyan-Cpentd is discussed in view of the NA-ligand interaction models.     

卫星激光通信均匀信标光的研究

采用信标光是完成卫星激光通信捕获过程的一种重要手段,信标光的远场分布对捕捉概率和捕获时间有较大的影响。为满足通信系统的性能要求,对信标的远场分布提出一定的要求是必要的。首先从理论计算的角度,分析了远场高斯分布信标光对卫星激光通信捕获过程的影响,认为在存在光束抖动的情况下,均匀信标光在捕获阶段具有明显的优势。基于多激光器合束技术,利用半导体激光器设计了一个能实现远场均匀分布的信标光模块。给出了模块结构,分析了均匀信标光产生的机理,并从理论上推导了该模块的远场光强分布表达式。实验表明,所研制的均匀信标光模块可出射功率超过3.8 W,不均匀度小于11%的远场均匀信标光,通光效率为54%,从而证明了所设计的信标光模块的可行性。     

Mechanism of Cellular Uptake to Optimized AuNP Beacon for Tracing mRNA Changes in Living Cells

Molecular beacon is a promising tool for mRNA detection in living cells. But the low detecting efficiency and narrow application range limited its development. In this study, we synthesized a novel gold nanoparticle (AuNP) beacon by optimizing the sequence amount and modified polyethylene glycol (PEG) and cell‐penetrating peptide (CPP) on the gold core. Then, the mechanism of beacon cell uptake was investigated. Lastly, we used the AuNP beacon to study the Akt‐mTOR‐HIF‐1 signaling pathway and the function and mechanism of miR‐7 in breast tumor cells. The results showed that the optimization obviously amplified the fluorescence signal of the AuNP beacon. The mechanism study described the process of AuNP beacon cellular uptake and confirmed amplifying the amount of beacon cellular uptake could obviously enhance the fluorescence signal. Compared to results, the accuracy of the gold nanoparticle beacon is similar to the results of real‐time‐Q‐PCR (RT‐PCR) and western blotting but that the operation is much simpler. Furthermore, in this study, we found that our Akt gold nanoparticle beacon had a similar function to that of the Akt small interfering RNA (siRNA). In summary, the gold nanoparticle beacon may be a promising method for the study of signaling pathways.     

激光导引星自适应光学系统对大气湍流低阶像差校正效果分析

 在对大气湍流相位扰动进行Zernike多项式展开的基础上,通过对信标和目标光的Zernike系数相关因子的推导, 得到了实际自适应光学系统（系统存在时间滞后和有限的空间分辨率）对相位扰动各阶像差的校正残差公式。同时结合实际,对瑞利导星以及钠导星自适应光学系统补偿大气湍流各阶像差的能力进行了计算和分析,为实际自适应光学系统的设计提供了理论参考。     

A Novel Reconfigurable Optical Biosensor Based on DNA Aptamers and a DNA Molecular Beacon

In order to alter a typical molecular aptamer beacon (MAB) to detect a different analyte there is currently a need to change the whole sensor unit including the expensive labeling fluorophores. In this work a DNA-based reconfigurable molecular aptamer beacon was developed. It is composed of two parts: a variable part and a constant part. The variable part comprises an aptamer strand and its complementary strand while the constant part is an oligonucleotide doubly labeled with a Förster Resonance Energy Transfer (FRET) pair and the two parts become joined via DNA hybridization. The sensor exists in two conformations: a folded (high FRET) and an unfolded (low FRET) in the absence and presence of the aptamer-target binding respectively. This sensor can be reconfigured by washing away the aptamer and the complementary strand using proper complementary strands, called washers. As a proof of the principle, a sensor that bound the enzyme thrombin, an analyte with a strong binding, was first constructed and then reconfigured to bind adenosine, selected as an analyte with a weak binding. We believe that the design is of universal use applicable to many types of aptamers.     

Probing DNA Hybridization in Homogeneous Solution and at Interfaces via Measurement of the Intrinsic Fluorescence Decay Time of a Single Label

The hybridization of DNA oligomers including molecular beacons can be detected by measurement of either the decay time or the intensity of a single fluorescent label attached to the end of the respective oligonucleotide. The method works both in solution and solid phase and can distinguish between fully complementary and mismatch sequences as demonstrated for a 15-mer oligonucleotide and a 25-mer molecular beacon. The fluorescence lifetime method is advantageous in (a) requiring a single label (and therefore a single labeling step) only; and (b), being based on measurement of a self-referenced magnitude that is hardly affected by parameters such as fluctuations in light intensity that make measurement of intensity more prone to interferences.     

扩展信标非等晕误差理论分析

利用Sasiele等提出的空间谱滤波技术,对两种典型应用场景下扩展信标非等晕性问题进行了建模,获得了扩展信标非等晕误差及其不同Zernike模式分量的理论公式。基于理论模型,分析了两种场景和典型湍流模式下扩展信标非等晕误差及其不同Zernike模式分量的特性,结果表明:信标扩展度与接收系统口径相同时,扩展与聚焦耦合非等晕方差最小,但扩展与聚焦耦合非等晕方差高阶项(去平移、倾斜和离焦)分量并非最小,高阶项分量最小时信标扩展尺度应小于接收系统口径;当信标扩展角与信标偏置角相当时,纯信标扩展非等晕方差约是纯角度非等晕方差的2.2%;相对湍流大气纯角度和纯聚焦非等晕方差,信标扩展导致的湍流大气非等晕是小量,多数情况下可不考虑。     

基于长脉冲光源的钠信标回光特性实验研究

采用与信标发射接收系统参数匹配的长脉冲光源,可在脉冲回光时间内产生较亮星等的钠信标,既有利于提高信标探测的信噪比,也有利于实现自适应光学系统的高频闭环校正.基于450 mm直径望远镜和大能量长脉冲光源,开展了钠信标探测实验,得到了长脉冲光源产生的钠信标回光特性.通过CCD和光电倍增管,采集得到了不同发射能量、出射偏振态下的回光强度,并获得了最大强度为15万光子/m2/pulse的回光,对应脉冲回光时间内约4.1等星的亮度.分析推算了实验条件下钠原子的柱密度.实验全过程未出现明显的饱和现象,验证了采用长脉冲钠信标光源避免饱和效应、得到高亮度钠信标的可行性.