湖南大学科学家研发新型DNA纳米机器，攻克靶标

作者：杨超月

本科和直博，均就读于该校化学化工学院，博士则由美国佛罗里达大学和湖南大学联合培养，博士后两年在国家留学基金委资助下，留学美国并获得博士学位。

值得注意的是，做博后研究时，他再次回到湖南大学。从当初化学化工学院的本科生，再到如今成为该学院的教授，20 年时光似乎 " 眨眼间 " 流过。

而他也成为了湖南大学岳麓学者、湖南省杰出青年基金获得者以及教育部青年长江学者。

2021 年 12 月 22 日，黄晋团队在 Nucleic Acids Research 上发表了一篇研究论文，题为《光控放大的 FRET 纳米耀斑：时空可控的、mRNA 驱动的纳米机器用于活细胞内微小 RNA 的精准、灵敏成像》（Photocaged amplified FRET nanoflares: spatiotemporal controllable of mRNA-powered nanomachines for precise and sensitive microRNA imaging in live cells） [ 1 ] ，论文第一作者为李静博士，黄晋担任通讯作者。

该论文报道了一种时空可控的、细胞内源分子驱动的 DNA 纳米机器，解决了活细胞内低丰度靶标分子 " 测不到、测不准 " 难题，实现了精准、灵敏原位检测细胞内低丰度 miRNA 的目标。

湖南大学科学家研发新型DNA纳米机器，攻克靶标

图 | 相关论文（来源：Nucleic Acids Research）

针对活细胞内低丰度 miRNA 原位检测，提供 " 测得到、测得准 " 新方案

据悉，miRNA 在细胞增殖、分化和凋亡过程中扮演着非常重要的角色，具有类似于致癌基因和抑癌基因的作用。

目前越来越多的数据表明：miRNA 的异常表达与人类疾病密切相关，被认为是诊断和预后的潜在生物标志物。

因此，对于更好地理解其功能、以及疾病相关的调节机理上，可视化定量细胞内 miRNA 具有至关重要的意义。

然而，目前细胞内低丰度 miRNA 原位检测仍然面临一些难题：

其一，miRNA 的部分内在属性欠佳，例如小尺寸、高同源性、低丰度、易降解等；

其二，由于复杂的细胞内环境，生物分子自发荧光探针易被非靶标分子降解或者提早激活，导致检测精准度低比如会出现假阳性；

其三，由于细胞空间尺寸的局限性，细胞内某些 miRNA 的丰度比较低，基于传统的 " 一对一 " 信号触发模式即一个靶标触发一个信号，会导致检测灵敏度不足比如会出现假阴性。

针对活细胞内原位检测低丰度 miRNA 的精准度和灵敏度低的难题，黄晋团队开发出上述时空可控的、内源性分子驱动的 DNA 纳米机器，实现了细胞内低丰度 miRNA 的精准、灵敏荧光成像。

湖南大学科学家研发新型DNA纳米机器，攻克靶标

（来源：Nucleic Acids Research）

一方面，他们通过荧光共振能量转移技术（FRET，fluorescence resonance energy transfer）比率型信号输出，有效地避免了系统波动和化学干扰（例如：细胞内谷胱甘肽和 DNA 水解酶）带来的假阳性信号。

同时，让光照作为外界刺激物实时控制探针的初始活性，避免探针在内吞或者运输过程中，即在到达肿瘤位点之前，被提早激活，产生高的非特异性信号，借此提高了检测精准度。

另一方面，其巧妙地利用了内源性、高丰度的 mRNA 分子作为驱动力，实现了 " 一对多 " 信号触发模式，即一个靶标触发多个信号，最终实现了活细胞内低丰度 miRNA 的精准、灵敏成像。

湖南大学科学家研发新型DNA纳米机器，攻克靶标

项目设计理念的源头在 6 年前

冰冻三尺，非一日之寒，此次成果也得益于黄晋多年的积累。

2015 年，该团队曾提出一种新型纳米探针设计概念 "FRET 纳米耀斑（FRET Nanoflare）"，相比传统的单荧光染料标记的纳米探针，该探针能有效地避免系统波动和化学干扰产生的假阳性信号，提高了检测的精准度 [ 2 ] 。

但是，该 FRET 纳米耀斑的设计仍然是基于 " 一对一 " 信号触发模式，即一个靶标只能触发一个信号，对于细胞内低丰度 miRNA 的检测会面临检测灵敏度不足的问题。

因此，设计 " 一对多 " 信号触发模式，即一个靶标触发多个信号，是黄晋接下来要极力实现的目标。

湖南大学科学家研发新型DNA纳米机器，攻克靶标

脱氧核糖核酸酶（DNAzyme），是具有催化功能的单链寡核苷酸，它在特定金属离子的辅助下能循环不断地切割荧光标记的基底链，产生 " 一对多 " 信号放大模式，因此被认为是一种有效的信号放大策略。