复杂生化系统中的分子传输调控及生物传感应用
文献类型：学位论文
| 作者 | 叶德楷 |
| 答辩日期 | 2019-06-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 授予地点 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 宋世平 |
| 关键词 | 物质传输 酶级联反应 三维折纸芯片 DNA水凝胶 生物传感 |
| 英文摘要 | 在复杂的生命系统中,功能单元间的小分子及蛋白质、核酸等生物大分子的可控传输是决定生命系统有序运作的重要因素。随着现代生物技术的发展及化学合成水平的提高,基于蛋白、核酸等生物功能分子所构建的生化系统已被广泛应用于生物传感、药物治疗及生物能源领域等。发展精确可控的物质传输方法对于复杂生化系统、仿生功能器件乃至人造生命系统等的发展具有重要的科学意义。复杂生化系统中的多种生物功能单元以均相或异相空间分布形式位于系统的各功能位点,并通过功能单元间的分子传输等方式实现协同功能调控,保障生化系统的高效有序工作。目前,纳米技术和微加工技术的快速发展,使得精确设计的生物识别系统、纳米反应器和微流控芯片等在人工生化系统中实现了有效的分子传输控制。然而受限于复杂的制备技术和有限的加工精度,这些技术一般仅适用于简单生化过程中的分子传输控制,难以实现多功能位点间的高效、可控分子传输。因此,复杂生化系统中多分子、多位点的高精度智能传输调控成为该研究领域的关键问题之一。本论文基于对生化反应系统的物质传输基本过程的分析,结合DNA纳米技术及三维芯片设计等,设计了多生物分子精确共组装的生化反应系统,实现了对复杂生化系统中物质传输的智能调控,并发展了多种生物传感器件。具体内容为:(1)基于DNA探针对生物分子界面组装的调控,实现对多种级联酶界面组装的精确调控,优于传统的界面组装方法。通过DNA探针对界面酶组装调控,我们实现了对级联酶中间产物传递效率的优化。通过多组酶级联反应的实验分析,其反应效率比非调控界面提高1-2个数量级。基于该策略的高效酶级联系统被进一步用于前列腺癌标志物肌氨酸的高灵敏检测,有望提高前列腺癌诊断的精准度。(2)在三维折纸芯片的设计中,我们结合重力导向的分子传输构建了“分子穿越”型物质传输系统。基于该系统实现了生物功能分子异相分布的生化系统中多位点间高效定向的分子传输。该系统中“分子穿越”传输方式突破传统纸芯片厘米级传输距离的限制,远距离的物质传输效率从零提高至25%。进一步,结合框架核酸的生化反应界面调控,生物分子的反应效率可提高约1000倍。基于该方法我们设计了可用于现场快速检测的一步法核酸检测纸芯片,在1小时内实现对1 p M单链核酸的快速检测。(3)为进一步实现对生化系统中物质传输的智能调控,基于杂交链式反应我们设计了具有刺激响应功能的DNA水凝胶。基于水凝胶自身的尺寸分选和相分离特性,实现了凝胶酶级联系统对底物尺寸选择性的催化。进一步,通过在DNA水凝胶中集成ATP刺激响应功能单元,构建ATP灵敏响应型凝胶结构,可进一步用于底物传输和酶催化效率的智能调控。最后,我们将这种ATP响应型DNA智能水凝胶用于循环肿瘤细胞的特异性捕获与分离,实现了对全血中最低10个肿瘤细胞的包裹与检测。此外,凝胶系统在ATP刺激响应后,释放的循环肿瘤细胞可保持完整的分子信息和增殖生长能力,有望用于肿瘤的个体化治疗及药物筛选等研究领域。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 148 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31271]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 叶德楷. 复杂生化系统中的分子传输调控及生物传感应用[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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