谭蔚泓:三维逻辑机器人可实现在癌细胞表面运算识别

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相较于传统医学，从分子层面上识别并处理从癌细胞所获得的信号，在癌症的诊疗领域具有十分重要的意义。近日，我校分子科学与生物医学实验室（MBL）报道了一种三维DNA纳米逻辑机器人，其集成了多个核酸适体（aptamer）功能触角，成功实现在癌细胞表面的运算识别。该研究工作在人工分子器件和生物医药领域具有良好的应用前景。相关研究成果以“Engineering a 3D DNA-logic gate nanomachine for bispecific recognition and computing on target cell surfaces”为题发表于国际权威化学期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b04319）。

细胞表面存在成千上万种成分，他们在细胞的交流、成长、增值和死亡中扮演重要角色，这些细胞表面表达量不同的物质犹如每个人的脸部特征，识别不同的细胞表面也犹如“识人”。其中，某些过度表达的物质是疾病诊疗的重要依据，如何利用这些过度表达的物质，构建一种分子机器来造福人类健康一直以来是科学家们的研究重点与热点。

通过细胞筛选得到的aptamer是一类特异性识别靶细胞的核酸分子，在该研究中aptamer被设计成可识别癌细胞表面受体的分子触角。以一种最简易的DNA三维纳米结构作为骨架，成功地将两种识别触角和和一个运算触角安装到一个骨架上。这个三维骨架为三棱柱结构，仅需要三条DNA链构成，大大降低了分子机器制造成本。当aptamer识别其细胞表面的靶标时，通过aptamer与靶标和其互补链的竞争反应，释放出互补链。只有某种细胞存在两种特异靶标时，才会释放出两条互补链，这两条链继而再参与运算触角上的DNA链置换反应，最后使被淬灭的荧光信号恢复。相较于传统的游离于溶液中的线性双链DNA计算系统，这种三维DNA纳米机器采用了集成化的设计思路：把双识别的触角和一个“与”门逻辑集成在一个三棱柱骨架上。当机器启动时，通过分子间的临近反应，会运算产生特异的响应信号，大大提升了细胞识别的准确性。这种纳米级机器实现了靶细胞表面的逻辑运算识别，展现出精准诊疗的潜力。

化学化工学院博士研究生彭瑞资和郑小芳是本论文共同第一作者。这是彭瑞资自去年在JACS上发文后的第二篇力作，同时也是MBL实验室今年在JACS发表的第五篇文章。彭瑞资的研究工作主要围绕生物纳米技术在疾病诊疗中的应用展开，目前他正在美国佐治亚理工和埃默里大学的生物医学工程系进行博士生联合培养。化工院谭蔚泓教授和宦双燕教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部等部门的科研资助。