一个团队利用一种称为DNA折纸的过程制造了能够快速检测和测量生物标志物的电化学传感器。
加州理工学院的科学家们采用一种称为DNA折纸的方法，开发出一种技术，有望为快速检测体液中的蛋白质提供更便宜、可重复使用的生物标志物传感器，从而消除将样本送往实验室中心进行测试的需要。
加州理工学院计算与数学科学及计算与神经系统的访问副教授保罗·罗特曼德（Paul Rothemund，BS ’94）表示：“我们的工作提供了一个概念证明，展示了一种单步方法，用于识别和测量核酸和蛋白质。”
描述该工作的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》上。论文的主要作者是前加州理工学院博士后研究员全炳珍（Byoung-jin Jeon）和现任研究生马泰奥·M·瓜雷斯基（Matteo M. Guareschi），他们在罗特曼德的实验室完成了这项工作。
2006年，罗特曼德发表了关于DNA折纸的第一篇论文，这是一种利用单一DNA对纳米级分子结构设计进行简单而精致控制的技术。
本质上，DNA折纸使长链DNA通过自组装折叠成任意所需的形状。（在2006年的论文中，罗特曼德著名地使用该技术创建了直径100纳米、厚度2纳米的迷你DNA微笑脸。）研究人员从一条长的DNA链（支架）开始，在溶液中进行操作。由于构成DNA的核苷酸碱基按照已知方式结合（腺嘌呤与胸腺嘧啶结合，鸟嘌呤与胞嘧啶结合），科学家们可以添加数百个短的互补DNA序列，知道它们将在已知位置的支架两端结合。那些短的附加DNA片段折叠支架并赋予其形状，充当“订书钉”将结构固定在一起。然后可以利用该技术创建从北美和南美地图到纳米尺度晶体管的各种形状。
在新的研究中，罗特曼德和他的同事们使用DNA折纸创建了一种类似睡莲的结构——直径约100纳米的扁平圆形表面，通过DNA连接子与金电极相连。睡莲和电极都有短DNA链可与分析物结合，分析物是在溶液中感兴趣的分子——无论是DNA分子、蛋白质还是抗体。当分析物与这些短链结合时，睡莲被拉到金表面，将70个位于睡莲上的报告分子（指示目标分子存在）带入与金表面接触。这些报告分子是氧化还原反应性分子，意味着它们在反应过程中可以容易地失去电子。因此，当它们足够接近电极时，可以观察到电流。一种更强的电流表明更多的目标分子存在。
之前，采用与DNA折纸结构相似的方法制造生物传感器，但使用的是单一DNA链。那项早期工作由加州大学圣巴巴拉分校的凯文·W·普拉克斯科（Kevin W. Plaxco，PhD ’94）领导，他也是目前论文的作者之一。
加州理工学院的瓜雷斯基指出，新的睡莲折纸与单条DNA链相比较大。“这意味着它可以在单个分子上容纳70个报告分子，并在结合之前将它们与表面隔离。然后，当分析物结合并且睡莲到达电极时，会产生较大的信号增益，使得变化易于检测。”瓜雷斯基说。
睡莲折纸的相对较大尺寸还意味着该系统可以方便地容纳和检测更大的分子，例如大蛋白质。在新的论文中，团队表明，睡莲和金表面上的两条短DNA链可以作为适配器，使其成为蛋白质的传感器而不是DNA的传感器。在这项工作中，研究人员将维生素生物素添加到这些短DNA链上，将系统转变为针对蛋白质链霉素的传感器。然后，他们添加了一种DNA适配体，这是一条能够与特定蛋白结合的DNA链；在这种情况下，他们使用了一种与血小板衍生生长因子BB（PDGF-BB）结合的适配体，这可以用于帮助诊断例如肝硬化和炎症性肠病等疾病。
“我们只需将这些简单的分子添加到系统中，它就可以准备好感应不同的东西。”瓜雷斯基说。“它足够大，可以容纳任何你想用的东西——那可能是适配体、纳米抗体、抗体片段——并且不需要每次都完全重新设计。”
研究人员还表明，该传感器可以重复使用多次，每轮检测添加新的适配器。尽管性能会随着时间稍微下降，当前系统至少可以重复使用四次。
未来，团队希望该系统也可以用于蛋白质组学——确定样本中包含什么蛋白质以及其浓度的研究。“你可以同时拥有多个传感器，检测不同的分析物，然后可以进行清洗，交换分析物并重新测量。你可以这样做几次。”瓜雷斯基说。“在几小时内，你可以使用单个系统测量数百种蛋白质。”
论文《基于模块化DNA折纸的DNA和蛋白质的电化学检测》的其他作者包括洛杉矶加州大学的杰米·M·斯图尔特（Jaimie M. Stewart）；麻省理工学院的艾米莉·吴（Emily Wu）和阿什温·戈皮纳特（Ashwin Gopinath），约翰霍普金斯大学医学院的内兹阿瓦尔库约特尔·阿罗约-库拉斯（Netzahualcóyotl Arroyo-Currás），加拿大舍布鲁克大学的菲利普·多芬-迪查尔姆（Philippe Dauphin-Ducharme）；以及纽约圣约翰大学的菲利普·S·卢克曼（Philip S. Lukeman）。
团队使用了加州理工学院凯夫利纳米科学研究所的制造设备。这项工作得到了美国陆军研究办公室、海军研究办公室、国家科学基金会和默克研究实验室资助的生命科学研究基金的支持。
