核酸被认为是生命的最基本物质之一。基于其分子识别和自组装功能，以及优异的可编程性、良好的生物相容性等优点，核酸可以通过精确组装构建出多种智能化分子机器，在生物传感、生物成像、智能药物、纳米诊疗等领域实现应用，进而打开物理、化学、生物医学、乃至工程学等多学科交融发展的突破口。近日，青岛科技大学化学院周宏教授、何鹏副教授团队在利用智能DNA纳米机器进行高灵敏传感分析和纳米诊疗方面取得了系列进展，相关成果先后发表在Advanced Functional Materials（2024, 2407336），Chemical Engineering Journal（2024, 498，155631），Small (2024, 2309502)等国际期刊上。
成果一：基于 DNA 纳米辊的切割滚压工艺引导仿生纳米探针受控排列用于SERS传感分析
表面增强拉曼光谱（SERS）作为一种灵敏的检测技术，能够提供分子水平上的信息，已广泛应用于疾病标志物的检测。然而，该领域面临着几个主要的研究瓶颈。首先，实现高密度且均匀分布的等离子体纳米探针的精确组装是一个挑战，这直接影响到SERS检测的灵敏度和可靠性。其次，如何提高检测的特异性和降低背景干扰也是研究中的难点。此外，对于复杂生物样品中的低丰度目标分子的检测，需要具有更高的灵敏度和抗干扰性。因此，开发新型高效的SERS探针及其组装策略以提高检测性能，是该研究领域亟待解决的问题。
面对这些问题，青岛科技大学化学院周宏教授、何鹏副教授团队在Advanced Functional Materials （IF＝18.5）发表了题为‘’High-Density Arrangement of Biomimetic Plasmonic Nanoprobes Guided by DNA Nanoroller based Cleaving-Rolling Process for SERS Sensing Analysis‘’的研究。受农业联合机械化的启发，团队构建了一种独特的剪切-滚动-组装集成纳米器件（CRAIN），用于多种生物分子的高性能检测。在设计中，引入 DNA 纳米管作为构建载体，以设计具有DNAzyme步行链的多取向DNA 纳米辊，从而有效增加反应取向和局域浓度。通过目标特异性识别，激活的纳米滚轮可以自主地沿着金基板上的发夹轨道进行循环地剪切和滚动，从而显著提高反应速率。此外，使用核酸编码的海胆形金银复合纳米球（nMGS）作为SERS增强探针，通过剪切-滚动过程介导的nMGS探针的受控组装促进了高密度热点域的形成，进一步改善了检测灵敏度。而且，作为一种智能化的通用平台，CRAIN系统可以扩展用于多种分析物的高灵敏度分析，例如microRNA-21、丁酰胆碱酯酶活性和有机磷农药等。该研究展示了DNA 纳米辊在生物传感领域的广泛应用潜力，这种集成化组装策略为临床诊断、生物医学工程和环境科学提供了新的研究视角。
图1 剪切-滚动-组装集成纳米器件（CRAIN）传感平台示意图
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407336
本文第一作者为青岛科技大学化学院硕士研究生徐鑫林和李甜甜，通讯作者为周宏教授和何鹏副教授。
成果二：智能运算激活的双点亮纳米询问器用于原位高性能生物成像
对各种生物标志物的表达谱进行现场系统地询问对于剖析肿瘤相关的复杂细胞事件和精准治疗至关重要。然而，当前大多数纳米机器面临着细胞外激活、单一信息读取、成像输出不足和治疗结果欠佳的挑战。
面对这些问题，青岛科技大学化学院周宏教授、何鹏副教授团队在Chemical Engineering Journal（IF=13.3）发表了题为“Intelligent Operation-Activated Dual Light-Up Nanointerrogator for On-Site High-Performance Bioimaging”的研究。团队开发了一种智能“分层扫描-运算-自动反馈”纳米询问器（HSOAN），用于精确的细胞识别和个性化光疗。将“生物计算机”与“电路放大器”有效结合，并选择多种生物标志物作为计算输入，基于“YES-ANDI-ANDII”逻辑门顺序感应膜蛋白 PTK7 和细胞质 TK1 mRNA 和 microRNA-21 基因。经历自上而下的扫描-识别，纳米询问器仅在具有三位生物编码的靶细胞中实现空间特异性双色信号输出。研究表明“双锁-三钥匙-双报告器”控制的纳米询问器提高了细胞识别的准确性。工程化框架支撑的膜锚定装置和放大电路介导的超支化组装增强了成像信息的稳定性。 而且，MBNHs的高光热转换效率和生物安全性为肿瘤定制化治疗提供了优异的治疗效果。
图2 用于活细胞多参数门控逻辑询问和光热治疗的HSOAN系统示意图
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155653
本文第一作者为青岛科技大学化学院硕士研究生李甜甜，通讯作者为周宏教授和何鹏副教授。
成果三：智能双机联动纳米器件用于四环素高灵敏SERS分析
四环素(TC)具有优异的抑菌能力，且成本低廉，被广泛应用于农业、畜牧业等行业。然而，过度使用TC会导致其在动植物和水体中持续累积，通过生态循环和食物链直接或间接地对人类健康和环境构成严重威胁。因此，精确检测食品和环境中的TC残留具有重要意义。传统的检测方法设备昂贵、程序繁琐、抗体稳定性弱、灵敏度低，极大地影响了TC检测的特异性和效率。
针对以上挑战，青岛科技大学化学院周宏教授团队、何鹏副教授在Small（IF=13）上发表了题为“Engineering Assembly of Plasmonic Virus-Like Gold SERS Nanoprobe Guided by Intelligent Dual-Machine Nanodevice for High-Performance Analysis of Tetracycline”的研究。该研究设计了一种新型的双机联动纳米器件（DMLD）。以挂锁适配体组件作为启动指挥中心，核酸编码的类病毒多刺突金纳米粒子（nMVANs）作为信号指示器，级联步行者电路作为处理器，实现了对TC的高性能分析。MVAN 中刺突顶点和刺突间纳米间隙的存在促进了强烈的电磁近场聚焦，为nMVAN的高SERS活性提供了保障。而且，通过多级Walker催化电路之间的顺序激活，DLMD系统能够将有限的TC识别转化为DNA扩增子引导的SERS探针的大规模工程化组装，从而实现全域等离子体热点的协同增强。高活性仿生探针和多机模块化设计的精巧结合这一构建理念凸显了智能纳米器件在分析环境和食品中的痕量危害物方面的巨大应用潜力。
图3 用于TC高性能SERS分析的DMLD感应系统构建机理图
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202309502
本文第一作者为青岛科技大学化学院硕士研究生徐鑫林，通讯作者为周宏教授和何鹏副教授。
本课题研究得到了国家自然科学基金、山东省高校青创团队计划的资助。