第一作者：Fan Yang
通訊作者：樊春海、張先恩
通訊單位：中科院上海應(yīng)物所、中科院生物物理所
核心內(nèi)容：
1. 總結(jié)了基于蛋白質(zhì)和DNA納米結(jié)構(gòu)的生物傳感納米界面組裝原理、性能調(diào)控和生物分子檢測。
2. 分析了存在的問題和技術(shù)難點，強調(diào)生物分子空間取向控制的重要性。
3. 展望了在精準(zhǔn)診療方面的應(yīng)用。
生物傳感器是一類集成生物識別元件（如酶、抗體或核酸等）和物理、化學(xué)換能模塊的器件（信號轉(zhuǎn)導(dǎo)易與細胞中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)混淆）。生物傳感器已經(jīng)廣泛用于家庭監(jiān)護和現(xiàn)場檢測，目前的穿戴式和床邊檢測（POCT）生物傳感研究可能對疾病監(jiān)控模式產(chǎn)生深刻影響。
然而，有別于均相反應(yīng)體系，生物傳感器本質(zhì)上是一個異相界面反應(yīng)過程，其性能極大地依賴于生物分子與換能器件界面的狀態(tài)，即固液兩相間的電子遷移、能量交換和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。因此，生物識別界面的設(shè)計與結(jié)構(gòu)調(diào)控在開發(fā)高性能生物傳感器中十分關(guān)鍵。
圖1展示了物理吸附或化學(xué)共價偶聯(lián)的生物器件界面，其中，生物分子通常表現(xiàn)為取向無序、均一性差、空間位阻大，從而影響了生物探針分子的識別效率和傳感器件性能。近年來，融合蛋白骨架和框架核酸結(jié)構(gòu)的發(fā)展為提升界面生物分子的取向性、有序性和均一性提供了新思路。通過精確組裝不同尺寸的融合蛋白骨架和框架核酸探針可程序化調(diào)控傳感器的檢測靈敏度，實現(xiàn)超靈敏的標(biāo)志物分子檢測，用于臨床疾病的精準(zhǔn)診斷。
圖1（a）抗體基本結(jié)構(gòu)；（b）無序的抗體界面朝向；（c）有序的抗體界面朝向。
有鑒于此，中科院上海應(yīng)物所樊春海研究員（現(xiàn)為上海交通大學(xué)教授）和中科院生物物理所張先恩研究員等合作，從精確組裝到精準(zhǔn)生物傳感總結(jié)了生物大分子納米結(jié)構(gòu)界面工程。
圖2 （a）中間蛋白介導(dǎo)的抗體組裝；（b）衍生抗體活性基團直接共價組裝；（c）框架DNA四面體探針界面調(diào)控；（d）框架DNA四面體探針組裝及界面朝向；（e）框架DNA納米探針介導(dǎo)的抗原-抗體結(jié)合。
蛋白質(zhì)分子（抗體和酶）的構(gòu)象和活性會直接影響界面抗原識別或電子轉(zhuǎn)移效率。在實際中，物理吸附或共價偶聯(lián)的蛋白質(zhì)分子易與界面發(fā)生多種相互作用，從而改變天然構(gòu)象，降低活性。
為解決這些難題，人們提出了蛋白質(zhì)界面工程。例如通過中間蛋白分子（proteinA or protein G）固定抗體的Fc段，保證抗體分子的有利界面朝向和活性位點的充分暴露，從而提升抗原-抗體結(jié)合效率和酶的催化活力（圖2a）。
此外，抗體Fc段的糖基和鉸鏈區(qū)的二硫鍵也常常被激活，用于抗體的直接共價偶聯(lián)并保持抗體分子在界面的有序性（圖2b）。值得一提的是通過融合蛋白技術(shù)可在目標(biāo)蛋白分子基因內(nèi)插入柔性的肽斷編碼序列，精確定制功能性蛋白分子，實現(xiàn)界面抗體可控組裝（圖2b）。
DNA分子雜交的高度可預(yù)測性和精確可編程性賦予了另一種界面工程的可能。通常，單鏈DNA分子柔性比較大，在界面上的吸附是無序和不均一的，其分子間纏繞會降低DNA探針分子的雜交效率。
DNA納米技術(shù)的快速發(fā)展給生物傳感領(lǐng)域帶來了諸多啟發(fā)。例如由四條寡核苷酸鏈自組裝的DNA四面體框架核酸探針（圖2c, d）具有多種界面優(yōu)勢：
1）框架的剛性能顯著增強界面探針的有序性和分子朝向；
2）3D框架結(jié)構(gòu)可精確控制分子間側(cè)向間距，避免探針分子間纏繞；
3）框架核酸能程序化調(diào)控探針分子密度和傳感器靈敏度；
4）框架核酸探針組裝的跨尺度界面可綜合納米和宏觀尺度的優(yōu)勢，如分子傳質(zhì)速率快和分子間碰撞機率高；
5）框架核酸可作為通用的分子支架錨定核酸、適體和抗體分子探針，用于生物檢測和疾病診斷（圖2e）。
總之，本文系統(tǒng)總結(jié)了生物大分子納米結(jié)構(gòu)界面工程，所介紹的技術(shù)原理將為發(fā)展精準(zhǔn)測量的生物傳感器提供新的思路。
參考文獻：
Yang F,Zuo X, Fan C, et al. Biomacromolecular nanostructures-based interfacial engineering: from precise assembly toprecision biosensing[J]. National Science Review, 2018.
DOI: 10.1093/nsr/nwx134
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx134
