以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
英文原题：
Nucleic Acid Molecular Systems for In Vitro Detection of Biomolecules
通讯作者：王鹏飞，上海交通大学
作者：Donglei Yang, Lijiao Yang, Pengfei Wang*
摘要
文章解读
背景
生物分子包括核酸、蛋白和代谢小分子，它们参与了基本上所有的生化反应过程，是反映生理和病理状态的良好指标。因此，体外检测特定生物分子是准确而全面诊断各种疾病的重要方式，亟须开发敏感、特异、便携和经济的生物分子检测手段以实现临床转化应用。
核酸分子具有碱基配对高特异性、二级结构可预测性和可编辑性等优点，被用于组装具有高度设计性的人造分子系统。聚合酶链式反应（PCR）是出现最早且最具特色的核酸体外检测手段，可实现在体外环境中对特定序列进行扩增，已成为分子生物学和分子医学领域的基础研究手段。
第一、生物分子的检测
生物分子的检测主要集中在三个方面：核酸、蛋白质和代谢小分子的检测。
核酸分子的检测（如图1a所示）：基于核酸配对原理的核酸分子探针以其高特异性、高拓展性、高兼容性和易用性被视为一种常用的检测策略。如图所示，对核酸的检测可以（i）通过链置换实现信号放出；（ii）通过与目标RNA结合而激活核糖开关，产生信号蛋白；（iii）基于CRISPR-Cas体系识别特异核酸序列，通过靶标核酸分子的激活作用使Cas蛋白对报告分子进行切割，实现信号放大。
蛋白质的检测（如图1b所示）：核酸适体是一类能够特异性识别并结合目标蛋白（或小分子）的RNA或DNA分子，它可以是天然存在的，也可以是通过人为筛选得到的。在图中可以看到（i）当核酸适体和目标蛋白结合后能产生信号，这融合了核酸适体和核酸分子探针的设计理念；（ii）通过结合核酸分子和抗体，可以利用邻近效应检测蛋白；（iii）框架核酸能够抓取样本中的蛋白，通过对抓取到的蛋白进行系统研究可以得到患者相关的病理信息。
小分子的检测（如图1c所示）：小分子的检测和蛋白的检测相似，部分核酸适体也具有与小分子结合的特性。图中可以看到与上文类似的设计（i）融合核酸适体与核酸分子探针的设计理念；（ii）变构转录因子通过识别特异性小分子从而激活转录过程；（iii）DNA折纸结构增强拉曼信号从而识别小分子。
图1. 用于体外生物分子检测的核酸分子系统
第二、观点与展望：
虽然在过去十几年间，基于核酸分子系统的生物检测应用发展迅猛，但仍有很多技术性难题使其无法应用于临床或其他相关领域。本文针对以下几点做出展望：
（1）灵敏度和特异性
灵敏度和特异性是分子检测系统中极为关键的两个参数。扩增技术可以实现很高的灵敏度，例如PCR、等温扩增（LAMP、RPA），然而扩增必定会引入数据偏移，因此目前还很难做到兼顾灵敏度与特异性的检测。近期研究表明，检测的灵敏度和特异性除了与配体种类（如核酸适体、抗体）有关，还与空间位置分布有很大的关系，因此作者提出可以通过合理设计，对检测靶标个性化定制不同价态、种类和空间位置分布的配体（如图2a所示）。
（2）多通道检测能力
同时检测多种不同的生物分子在实际应用中具有重大意义。为了实现多通道检测，核酸分子平台可用于将不同的检测配体整合成一个整体（如图2b所示），其可编程性为这种应用的实现提供了路径，但不同靶标与不同检测模块间的互相影响是其主要挑战。随着核酸测序技术的发展以及核酸分子独有的正交性与高相容性，多通道检测这种突破将成为可能。
图2.对于基于核酸的生物分子检测体系的实用性应用的观点与展望。
（3） 一体化检测
在许多检测系统中，如新冠病毒核酸检测，防止环境污染样本及传染性样本泄露到环境是至关重要的，如何减少这些问题是体外检测的一大难题。核酸分子平台展现出了强大的通用性与相容性，可以将扩增、检测、信号转换和信号报告这些步骤整合在一个密封环境中，从而有效减少样本污染与样本泄露的风险。
总言之，基于核酸分子的诊断系统具有高兼容性与多样性，在不久的将来可以实现临床应用转化，从而能为人类健康相关领域做出巨大贡献。
研究的相关结果已发表于ACS Materials Au。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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