科學家介紹新式「化學鼻」:可嗅出DNA結構的關鍵差異

DNA 結構的微小變化,對癌症等疾病的早期篩查與治療都有著重大的影響。遺憾的是,直到現在,科學家們都很難找到輕易分辨的方法。不過據 SCI Tech Daily 報導,加州大學河濱分校(UC Riverside)的化學家,剛剛展示了能夠以獨特的方式來嗅探 DNA 折疊片段的「化學鼻」。這項創新的研究,或有助於促進未來的癌症研究和藥物開發。

科學家介紹新式「化學鼻」:可嗅出DNA結構的關鍵差異

響應型 G-四鏈體檢測系統示意圖(來自:Richard Hooley / UCR)

研究作者兼 UCR 化學教授鍾文萬表示:「如果 DNA 序列被折疊,可能阻止與該特定 DNA 片段相連的基因轉錄。盡管或許會產生負面影響,但若能夠讓潛在致癌或促進腫瘤生長的基因靜默,我們也有望迎來更加積極的結果」。

據悉,DNA 折疊可能阻止病毒蛋白的產生,從而最大限度地降低免疫反應。而研究這些褶皺如何正面或負面地影響生物,首先就是被科學家發現並證明了它們的存在。

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研究配圖 – 1:主賓傳感系統的無標簽分類與判別

為此,UCR 有機化學教授 Richard Hooley 與同事們攜手,對一個原先用於感知其它事物的概念裝置進行了修改。

此前他們考慮過用它來測定不同年份的葡萄酒中的化學成分,但系統中被當做「鼻子」的化學物質,也能夠設計成可「嗅探」幾乎任何種類的目標分子。

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研究配圖 – 2:DNA 鏈與各種主染料配合物的影響

雖然常規版本的「化學鼻」並不能直接用於 DNA 的檢測,但在 UCR 研究團隊為其引入了其它非標准成分之後,這套概念系統中的「鼻子」就能夠嗅探到 DNA 靶標了。

Richard Hooley 解釋稱:人類吸氣的時候,鼻內受體可與空氣中含有的特定氣味分子結合,從而實現嗅探的功能。

我們的系統與之類似,因為它同樣含有能夠與我們找尋的 DNA 折疊相互作用的多種受體。

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研究配圖 – 3:基於選擇性陣列的可變 DNA 結構感知

據悉,「化學鼻」由主體分子、螢光客體、以及目標 DNA 三部分組成。當出現所需的褶皺時,殼體就會發出螢光,提醒科學家們有在樣本中檢出。

目標脫氧核糖核酸(DNA)由腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、以及胸棉嘧啶(T)四種基礎鹼基對組成,通常可形成類似梯子的雙螺旋結構。

不過富含鳥嘌呤的區域,有時會以不同的方式進行折疊,從而形成了所謂的 G-四鏈體。

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研究配圖 – 4:一套 23 G-四鏈體結構的分類與判別

此前,研究人員已經知曉了折疊對基因表達的調節作用,但形成 G-四鏈體結構的基因組部分依然相當復雜,且它們在保持細胞健康方面起到了關鍵作用。

對於新實驗,研究人員希望證明他們能夠檢測到一種由四個鳥嘌呤組成的特定類型四鏈體,然後在此基礎上繼續向前推進。

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研究配圖 – 5:可檢測結構拓補與 G4s 混合物濃度變化的更復雜感知陣列

鍾文萬表示,現在他們認為可以做到更多,因為 DNA 中還有其它三維結構,大家同樣希望對這些結構有著深入的了解。

為此,他們將研究破壞 DNA 的力是如何影響其折疊方式的。此外考慮到 RNA 在細胞中也起到了重要的作用,他們也將對 RNA 折疊展開相應的研究。

即便 RNA 的結構比 DNA 還要復雜,且分析起來更加困難。但對其結構的深入了解,也在未來的疾病研究中具有相當大的潛力。

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研究配圖 – 6:一組主·染料(Host · dye)結構示意

有關這套系統的設計和演示介紹,已經發表在 2021 年 4 月 1 日出版的《自然化學》(Nature Chemistry)期刊上。

原標題為《Selective discrimination and classification of G-quadruplex structures with a host–guest sensing array》。

來源:cnBeta