[发明专利]一种轨道再生型DNA步行器及应用

说明书

本公开属于DNA步行器的构建技术领域，具体涉及一种轨道再生型DNA步行器及应用。本公开提出了一种轨道再生型DNA步行器的概念并对其进行了验证。该步行器采用由路基和路轨组成的可分离的轨道。其路基链功能化于金纳米颗粒上，而大量的路轨链游离于溶液中并会与路基链杂交以构建轨道。随着步行器沿着轨道行走，路轨链被酶切同时释放出路基链，而释放出来的路基链则会继续结合溶液中的路轨链来形成新的轨道。轨道的持续补给使得机器可以保持行走。该机器在信号富集方面具有很大的优势，因此可以用于血清中埃博拉病毒基因片段的灵敏检测。

技术领域

本公开属于DNA步行器的构建技术领域，具体涉及一种轨道可再生的DNA 步行器以及该步行器及其在生物传感中的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而 不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员 所公知的现有技术。

DNA分子机器是一类由DNA组装而成的在微米或者纳米尺度上执行类机 器行为的分子机器。受益于DNA分子独特的性质，如严格的碱基互补配对，优 异的识别能力以及高度编程性等，DNA分子机器可以被精确控制，并且可以响 应多种刺激，进行精细操作。迄今为止，已经构建了各种类型的DNA分子机器， 包括步行器、镊子、齿轮、转子、传送带等。

其中，DNA步行器在响应外部刺激后，可以沿着预先设计的一维、二维或 三维轨道自主渐进行走。然而，在已有的DNA步行器的设计中，随着步行链的 行走，其供步行链行走的轨道会因为链取代而被占位或者水解被消耗而逐渐耗 尽，这严重限制了步行器行走的步数，不利于步行器沿着轨道持续运行。

发明内容

基于上述研究背景，本公开报道了一种新式的DNA步行器，它可以沿着再 生的轨道自主持续行走。不同于已有的轨道耗尽型步行器，该步行器可以通过补 给轨道组分来再生用于行走的轨道。其轨道是路轨和路基的组合。具体而言，它 是由路基链和路轨链杂交构成的。当步行链沿着轨道行走时，构成轨道的路轨链 被消耗，随之释放出路基链，释放出的路基链会继续结合溶液中游离的路轨链构 成新的轨道，这就是轨道的再生过程。步行器沿着这样的可再生的轨道行走有效 地提高了行走步数，提高了其持续运行性。并且该步行器表现出优异的信号放大 能力，可用于目标物的灵敏检测。

基于上述研究成果，本公开提供以下技术方案：

本公开第一方面，提供一种轨道再生型DNA步行器，所述DNA步行器由 金纳米颗粒(AuNP)表面连接至少一条步行链及若干条路基链；所述步行链及 路基链均为单链DNA，步行链的一端与金纳米颗粒连接，另一端为通过封闭链 封闭；所述路基链的一端与金纳米颗粒连接；所述轨道再生型DNA步行器还包 括补充组件路轨链及核酸外切酶，所述路轨链为发卡结构，其5’凹末端和3’ 端分别修饰荧光基团和猝灭基团。

该轨道再生型DNA步行器的运行原理如原理1所示。它包含修饰有数十条 路基链和较少量的被封闭链沉默的步行链的AuNP，以及大量路轨链，其5’凹末 端和3’端分别修饰了FAM荧光基团和BHQ1猝灭基团。并且路轨链以发夹的形 式游离于溶液中，此时荧光被猝灭。路轨链可以与路基链杂交以暴露出原本封于 颈部的区域来结合步行链。特定的目标链通过竞争性结合与封闭链形成更稳定的 双链从而释放出步行链，激活该步行器。释放出的步行链则会杂交轨道中的路轨 链暴露出的区域，形成一个三链复合体。路轨链的3’凸末端变为3’凹末端，从 而使得路轨链被核酸外切酶(Exo III)逐步切割消化，导致轨道的消耗。同时释 放出步行链和路基链，而被AuNP猝灭荧光的荧光基团也被释放出，恢复荧光。 然后释放出来的步行链继续结合下一个轨道上的路轨链，而释放出来的路基链则 继续与游离的路轨链结合形成新的轨道以供步行链行走。在这个过程中，只要溶 液中存在用于补给的路轨链，轨道就可以再生以弥补消耗的轨道，而该DNA步 行器就可以沿着轨道多周运行。

优选的，所述金纳米颗粒的直径为10～20nm。