基于核酸化学反应网络的生物分析
发布时间：2021-09-01 23:20
随着肿瘤标记物的不断发现和识别,生物传感器在推动医学诊断和治疗发展上显得越来越重要。然而,由于生物传感器在灵敏度、检测范围和检测效率上的不足限制了其在生物分析上的进一步应用。DNA由于其碱基的互补配对的特异性和序列可编辑能力,结合其动力学可预测和生物相容性好的特点使得DNA纳米技术在构建高性能的生物传感器上具有极大的应用优势。本论文工作立足于DNA纳米技术与分析化学的交叉领域,利用DNA纳米技术（包括结构纳米技术和动态纳米技术）的优越的可控性和功能性,解决分析化学中现有的技术难题,如灵敏度和检测范围等。围绕着这个目的,本论文主要开展了以下相关工作:（1）超灵敏开关是生物实现非线性动力学行为的核心关键,而协同变构则是构建超灵敏开关的关键策略。基于协同变构,生物可以实现输入信号的微小变化放大为明显变化的输出信号,因此可以构建超灵敏响应的生物传感器用以解决分析化学中输入信号微弱变化的难题。在此,利用DNA适配体对配体具有高特异性,结合DNA链置换技术构建配体响应的非线性DNA输入/输出（I/O）控制器。基于DNA的可编辑特性设计不同数目的结合位点和连接域长度实现了DNA I/O控制器在1.0...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
结构DNA纳米技术
基于核酸化学反应网络的生物分析8图1.2DNA的链置换反应，其中在正向反应中，链S取代了双链D中的成员a，并使S成为自由链，碱基序列a和a’是相同的，但已被表示不同，使得链交换过程更加可视化，a*是a的互补链Figure1.2DNAstrand-displacementreactioninwhich,intheforwardreaction,strandS′displacesfromtheduplexDthememberawhichbecomesthefreestrandS.Basesequencesaanda′areidenticalbuthavebeendenoteddifferentlytoaidvisualizationoftheexchangeprocess.Basesequencea*iscomplementarytoa1.2.2.2toehold介导的链置换反应通过增加三向分支迁移的交换频率，toehold提供了一种提高链置换速率的途径[64]。该过程如图1.3所示。在从（A）到（F）的整体反应过程中，Y链（同样含有b域序列）作为“现任者”，被输入链X从双链底物S的h*b*上取代下来并输出双链L。toehold指的是双链S上的单链扩展区域h*。链置换反应是从输入链的h域杂交到toehold上开始启动的（图1.3中B）。Y的末端磨损使得输入链X引发一个三向的分支迁移过程（图1.3中C）。这一过程的第一步包括现任链从底物链分离一个碱基以使得输入链可以顺利通过更多碱基结合到底物上。这是一个随机行走过程的初始步骤，在这个过程中，输入链与现任链竞争与底物链的结合（图1.3中D）。在这个分支迁移过程中分支点的单个碱基的每步平均时间约为12-20μs。图1.2中E所示的正是当现任链被输入链取代到仅剩一个碱基时的分支点的情况。最后，现任链将被完全取代并且输入链和底物链将完全杂交，形成双链L（图1.3中F）。由于缺少与现任链Y可以结合的toehold，从（F）到（E）的反应的速率常数与从（A）到（B）的结合反应的速率常数相比将会小的多。因此，toehold驱动反应从（A）向（F）方向推进
华东师范大学博士毕业论文9是相同浓度时，复合物L与S的浓度比为[][]=√=Δ°2（1.1）其中kf是S+X→L+Y的总体或伪速率常数，而kr是逆向反应对应的速率常数，以及ΔG°是h与h*杂交的标准自由能。因为ΔG°对于越长的toehold数值越负，反应平衡越推向图1.3中（F）的情形。图1.3toehold介导的三向分支迁移链置换反应Figure1.3Toehold-mediatedstranddisplacementviathree-waybranchmigration实验中正向反应的速率常数与toehold长度之间的关系如图1.4所示。这些测量值基本符合理论预期值。对于更短的toehold，由于高的解离速率和随机取向的分支迁移过程，输入链通过toehold的杂交从而取代现任链的可能性很校而对于足够长的toehold长度的解离的概率会小很多。因而，希望速率常数的数值会随着toehold的长度的增加而增加并最终达到一个饱和值。Srinivas等人[73]开展了自由能景观模型和粗糙增益分子动力学模拟以证明toehold介导的链置换反应发生时的速率的定量预测。这项工作的两个重要发现包括（1）单步分支迁移过程的速率明显低于单个碱基对的磨损以及（2）分支迁移的触发待了一个热力学的惩罚由于交叉点处额外的悬挂碱基。通过oxDNA[74]所进行的分子动力学模拟表明如果单步分支迁移的速率领先单个碱基对的磨损则需要进行更大的结构重排。此外，由于底物堆积的部分中断和构象自由度的降低会促使分支点的两个碱基被迫分离。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Analogic China map constructed by DNA[J]. QIAN Lulu1,WANG Ying2,ZHANG Zhao1,ZHAO Jian1,PAN Dun2,ZHANG Yi2,LIU Qiang1,FAN Chunhai2,HU Jun1,2 & HE Lin1,3 1. Bio-X Center,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China; 2. Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China; 3. Institute for Nutritional Sciences,Shanghai Institutes of Biological Sciences,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200031,China. Chinese Science Bulletin. 2006(24)
本文编号：3377837
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
结构DNA纳米技术
基于核酸化学反应网络的生物分析8图1.2DNA的链置换反应，其中在正向反应中，链S取代了双链D中的成员a，并使S成为自由链，碱基序列a和a’是相同的，但已被表示不同，使得链交换过程更加可视化，a*是a的互补链Figure1.2DNAstrand-displacementreactioninwhich,intheforwardreaction,strandS′displacesfromtheduplexDthememberawhichbecomesthefreestrandS.Basesequencesaanda′areidenticalbuthavebeendenoteddifferentlytoaidvisualizationoftheexchangeprocess.Basesequencea*iscomplementarytoa1.2.2.2toehold介导的链置换反应通过增加三向分支迁移的交换频率，toehold提供了一种提高链置换速率的途径[64]。该过程如图1.3所示。在从（A）到（F）的整体反应过程中，Y链（同样含有b域序列）作为“现任者”，被输入链X从双链底物S的h*b*上取代下来并输出双链L。toehold指的是双链S上的单链扩展区域h*。链置换反应是从输入链的h域杂交到toehold上开始启动的（图1.3中B）。Y的末端磨损使得输入链X引发一个三向的分支迁移过程（图1.3中C）。这一过程的第一步包括现任链从底物链分离一个碱基以使得输入链可以顺利通过更多碱基结合到底物上。这是一个随机行走过程的初始步骤，在这个过程中，输入链与现任链竞争与底物链的结合（图1.3中D）。在这个分支迁移过程中分支点的单个碱基的每步平均时间约为12-20μs。图1.2中E所示的正是当现任链被输入链取代到仅剩一个碱基时的分支点的情况。最后，现任链将被完全取代并且输入链和底物链将完全杂交，形成双链L（图1.3中F）。由于缺少与现任链Y可以结合的toehold，从（F）到（E）的反应的速率常数与从（A）到（B）的结合反应的速率常数相比将会小的多。因此，toehold驱动反应从（A）向（F）方向推进
华东师范大学博士毕业论文9是相同浓度时，复合物L与S的浓度比为[][]=√=Δ°2（1.1）其中kf是S+X→L+Y的总体或伪速率常数，而kr是逆向反应对应的速率常数，以及ΔG°是h与h*杂交的标准自由能。因为ΔG°对于越长的toehold数值越负，反应平衡越推向图1.3中（F）的情形。图1.3toehold介导的三向分支迁移链置换反应Figure1.3Toehold-mediatedstranddisplacementviathree-waybranchmigration实验中正向反应的速率常数与toehold长度之间的关系如图1.4所示。这些测量值基本符合理论预期值。对于更短的toehold，由于高的解离速率和随机取向的分支迁移过程，输入链通过toehold的杂交从而取代现任链的可能性很校而对于足够长的toehold长度的解离的概率会小很多。因而，希望速率常数的数值会随着toehold的长度的增加而增加并最终达到一个饱和值。Srinivas等人[73]开展了自由能景观模型和粗糙增益分子动力学模拟以证明toehold介导的链置换反应发生时的速率的定量预测。这项工作的两个重要发现包括（1）单步分支迁移过程的速率明显低于单个碱基对的磨损以及（2）分支迁移的触发待了一个热力学的惩罚由于交叉点处额外的悬挂碱基。通过oxDNA[74]所进行的分子动力学模拟表明如果单步分支迁移的速率领先单个碱基对的磨损则需要进行更大的结构重排。此外，由于底物堆积的部分中断和构象自由度的降低会促使分支点的两个碱基被迫分离。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Analogic China map constructed by DNA[J]. QIAN Lulu1,WANG Ying2,ZHANG Zhao1,ZHAO Jian1,PAN Dun2,ZHANG Yi2,LIU Qiang1,FAN Chunhai2,HU Jun1,2 & HE Lin1,3 1. Bio-X Center,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China; 2. Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China; 3. Institute for Nutritional Sciences,Shanghai Institutes of Biological Sciences,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200031,China. Chinese Science Bulletin. 2006(24)
本文编号：3377837
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