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使用DNA液滴进行早期疾病检测的新方法

导读通过大分子中的液-液相分离(或凝聚)形成水滴是生命科学研究的热门话题。在这些形成液滴的各种大分子中,DNA非常有趣,因为它是可预测和可编...

通过大分子中的液-液相分离(或凝聚)形成水滴是生命科学研究的热门话题。在这些形成液滴的各种大分子中,DNA非常有趣,因为它是可预测和可编程的,这在纳米技术中非常有用。最近,DNA 的可编程性被用于构建和调节由序列设计的 DNA 凝聚形成的 DNA 液滴。

由 Masahiro Takinoue 教授领导的东京工业大学 (Tokyo Tech) 的一组科学家开发了一种计算 DNA 液滴,该液滴能够识别作为肿瘤生物标志物的化学合成 microRNA (miRNA) 的特定组合。使用这些 miRNA 作为分子输入,液滴可以通过物理 DNA 液滴相分离给出 DNA 逻辑计算输出。Takinoue 教授解释了此类研究的必要性,“DNA 液滴的应用已在细胞启发的微区室中得到报道。尽管生物系统通过将生物传感与分子逻辑计算相结合来调节其功能,但没有关于 DNA 液滴与分子计算。” 他们的研究结果发表在先进功能材料。

开发这种 DNA 液滴需要一系列实验。首先,他们设计了三种类型的 Y 形 DNA 纳米结构,称为 Y 基序 A、B 和 C,具有 3 个粘性末端,以制造 A、B 和 C DNA 液滴。通常,相似的液滴会自动结合在一起,而要连接不同的液滴,则需要特殊的“接头”分子。因此,他们使用连接分子将 A 液滴与 B 和 C 液滴连接起来;这些接头分子分别称为 AB 和 AC 接头。

在他们的第一个实验中,他们通过引入 2 个输入 DNA 来评估 AB 液滴混合物中的“与”运算。在此操作中,输入的存在记录为 1,而其不存在记录为 0。AB 液滴混合物的相分离仅发生在 (1,1),这意味着当两个输入 DNA 都存在时,表明 AND 的成功应用手术。在这项研究之后,科学家们决定将乳腺癌肿瘤标志物 miRNA-1 和 miRNA-2 引入 AC 液滴混合物中,作为 AND 操作的输入。AND 操作成功,这意味着计算 DNA 液滴识别了 miRNA。

在随后的实验中,该团队展示了在 AB 混合物中与 miRNA-3 和 miRNA-4 乳腺癌生物标志物同时进行 AND 和 NOT 操作。最后,他们创建了一种 ABC 液滴混合物,并将所有 4 种乳腺癌生物标志物引入该解决方案。ABC 液滴中的相分离取决于接头的裂解,导致两相分离或三相分离。

ABC 液滴的这一特性使研究人员能够证明能够检测一组已知的癌症生物标志物或同时检测 3 种疾病的标志物。通讯作者 Takinoue 教授看到了计算 DNA 液滴的巨大潜力。据他介绍,“如果可以开发出一种能够整合和处理多个输入和输出的 DNA 液滴,我们就可以将其用于早期疾病检测以及药物输送系统。我们目前的研究也可以作为开发智能的研究的垫脚石。”人造细胞和分子机器人。”

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