背景
DNA折纸技术通过使用大量短单链DNA（ssDNA）折叠长ssDNA形成所需形状。该技术在纳米技术和医学领域有广泛应用，包括分子表面图案化、纳米机器人、基因调控、靶向药物递送和生物传感。本文综述讨论DNA折纸技术在传感器构建和检测方面研究进展。
传统的分析技术面临诸多限制，如耗时、样品处理复杂、试剂消耗大和设备成本高。因此，开发简单、快速且灵敏的检测方法显得尤为重要。
DNA折纸技术通过精确控制DNA分子的折叠，形成二维和三维结构，为生物分子的检测提供了一种低成本、高灵敏度、便携式的解决方案，适用于医疗诊断、食品安全和环境监测等多个领域。与传统的核酸形式相比，基于DNA折纸的适配体传感器展现出更高的选择性结合亲和力和更好的稳定性。
01
DNA折纸在光学传感器中的应用
DNA折纸技术可以精确排列不同的光活性分子（如荧光染料和等离子体纳米颗粒），从而构建高效的光捕获系统。这些系统可以用于荧光光谱学和表面增强拉曼散射（SERS）等研究。
例如，在荧光光谱学中，DNA折纸可以通过精确控制荧光团的排列和数量来优化光收集效率和FRET（荧光共振能量转移）效率。通过精确控制荧光染料之间的距离和方向，研究人员可以设计复杂的能量转移路径，甚至构建多色FRET级联系统。这些系统可以用于单分子传感器和光子电路的研究。
这篇论文利用DNA折纸技术开发一种能够实时检测脂质囊泡并实现单分子货物转移的生物传感器。具体来说，研究团队设计了一种基于DNA折纸结构的生物传感器，该传感器通过单分子荧光共振能量转移（smFRET）技术，能够实时检测脂质囊泡的存在。传感器的核心是一个疏水性ATTO647N染料修饰的DNA链，其在脂质囊泡存在或不存在时的构象变化能够产生可区分的FRET信号。
图1：囊泡传感器的概念和验证。
此外，论文还探讨了胆固醇锚定物与探针之间的距离对传感器性能的影响，通过精确的分子设计，调整胆固醇锚点与探针之间的距离（如5 nm、15 nm和30 nm），研究了这些距离对传感器与脂质囊泡相互作用的影响。结果表明，15 nm的距离能够产生最显著的FRET信号变化，从而优化了传感器的设计。
图2：链置换触发货物向脂质囊的转移。
论文还介绍了一种基于链置换反应的条件性货物转移系统。该系统能够在检测到脂质囊泡后，通过toehold介导的链置换触发货物转移。与传统的基于分子逻辑门的传递系统不同，该系统首先感知囊泡，然后触发货物转移，从而实现了更高的特异性。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202408295
02
DNA折纸在SERS传感器中的应用
此外，在表面增强拉曼散射（SERS）研究中，将等离子体纳米颗粒（如金和银纳米颗粒）与DNA折纸结合，用于光捕获和能量转移的研究。这些纳米颗粒可以增强荧光发射和拉曼散射信号，从而在单分子水平上进行高灵敏度的光学研究。这些系统不仅提高了检测灵敏度和特异性，还为开发新型光学传感器和光电子器件提供了广阔的应用前景。
02-1 尖端对齐的折纸组装金纳米棒检测单蛋白
这篇论文试图解决的问题是如何优化等离子体二聚体纳米天线的性能和应用，以实现单分子表面增强拉曼散射（SM-SERS）。由于电磁场增强强度与粒子间距成反比，这限制了热点区域的大小仅为几纳米，并且需要精确的粒子定位。为了从最高的场增强中受益，分析物必须精确地定位在纳米粒子的间隙中。文章利用DNA折纸技术组装的金纳米棒二聚体，在尖端对齐的情况下，将分析物精确地定位在热点区域，实现了单蛋白（链霉亲和素和凝血酶）的高灵敏度检测。
图3：DNA折纸设计和纳米金二聚体合成。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42943-7
02-2 使用sm-SERS和DNA折纸等离子体天线观察单个酶的工作
这篇论文的主要贡献在于开发了一种基于DNA折纸技术的单分子表面增强拉曼散射（SM-SERS）方法，用于实时监测单个辣根过氧化物酶（HRP）在液体环境中的催化反应具体来说，研究团队利用单分子表面增强拉曼散射（SM-SERS）技术和基于DNA折纸的等离子体天线（DONA）来实现这一目标。与以往在干燥条件下检测蛋白质不同的是，这个研究的创新之处在于能够在液体环境中实时监测单个HRP分子的催化反应。
图4：DNA折纸的等离子体天线的制备和表征。
利用DNA折纸技术，论文成功构建了纳米叉（NanoFork）结构，并将单个HRP分子精确地放置在两个金属纳米颗粒之间，形成了等离子体天线（DONA）。这种结构为单分子检测提供了高信号增强的“热点”。通过添加过氧化氢（H2O2）和3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）溶液，成功记录了HRP催化反应的时间序列SM-SERS光谱。这些光谱显示了HRP催化循环中的单步反应，证明了单分子水平上催化反应的可重复性。这篇论文通过结合DNA折纸技术和SM-SERS，实现了对单个酶催化反应的实时监测，为单分子水平上的酶学研究提供了新的工具和方法。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c03384
03
DNA折纸在微流控传感器中的应用
在现代生物检测领域，微流控传感器以其低成本、便携性和易用性迅速崛起，成为研究和应用的热点。然而，随着检测需求的日益复杂化和精细化，传统微流控传感器在灵敏度、特异性和多功能性等方面面临着诸多挑战。DNA折纸结构不仅具有高度的可设计性和可编程性，而且能够与微流控传感器的微尺度平台完美契合，为传感器的性能提升和功能拓展提供了广阔的空间。通过将DNA折纸技术与微流控传感器相结合，可以实现对生物分子的高灵敏度、高特异性检测，同时赋予传感器多靶标检测、信号放大和智能响应等多功能特性，极大地推动了微流控传感器在疾病诊断、环境监测和食品安全等领域的应用进程。
这篇论文介绍了一种基于DNA折纸-细胞相互作用的多功能微流控平台，旨在体外模拟和研究癌细胞在血管内皮细胞层中的外渗（extravasation）过程。外渗是癌细胞从血管穿过内皮细胞层进入周围组织的关键步骤，是癌症转移的重要环节。传统外渗研究方法依赖完整内皮细胞层，存在技术挑战和复杂性。论文提出了一种基于DNA折纸纳米结构（DNA origami nanostructures, DONs）的微流控平台，通过精确控制纳米尺度分子模式模拟内皮细胞膜上配体排列，研究癌细胞外渗分子机制。该方法可无其他粘附事件干扰地研究整合素特异性粘附，直接观察配体特异性结合事件，并可扩展至其他配体研究。
图5：微流控外渗平台的构建原理及表征。
该技术可以为其他类型的细胞（如来自癌症患者的循环肿瘤细胞）的研究提供可能，这些细胞可能是高度相关的模型，因为CTCs对血流的适应可以诱导出传统细胞系中不存在的特征。平台中的细胞可以从芯片中恢复，通过基因分析可以了解与特定配体接触和机械通道是否导致基因表达中的变化。这种多功能平台将成为研究具有控制的纳米尺度分子模式的细胞外渗的有价值工具，从而有助于揭示转移过程的基础知识，并找到减轻转移的新的治疗方法。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202318805
总结
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往期回顾
Nano Letters | 利用基于DNA折纸的纳米器件控制器官特异性基因表达
M3R Lab
作者｜cq
审核｜sj
排版｜xjc
