近日，华南理工大学生物科学与工程学院陈庭坚教授课题组在非天然核酸在纳米材料制备及生物检测领域的应用研究中取得新进展，相关成果发表在期刊ACS Applied Nano Materials上，题为：Bottlebrush DNA-Primed Rolling Circle Amplification for Sensitive Detection of Biomolecules，硕士生陈薛亦和张汝洁为论文的共同第一作者，博士生彭乐丽、副研究员杜宇辉为共同作者，陈庭坚教授为通讯作者，华南理工大学生物科学与工程学院为唯一单位。（论文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c01805）

图1. 瓶刷DNA引导的滚环扩增（BDP-RCA）技术的建立及应用

核酸是生命体储存和传递遗传信息的载体，具有良好的序列可编程性和生物相容性，被广泛应用于生物材料制备和生物检测等领域。非天然核酸的开发极大地拓展了核酸的结构、性质和功能。其中，人工碱基的开发和应用受到了广泛的关注。然而，前人的工作主要集中在用小分子修饰人工碱基，而缺乏对大分子修饰人工碱基的构建和应用探索。

在本工作中，课题组首先通过酶法合成了含有人工碱基的DNA，利用这些人工碱基上的连接臂和点击化学技术，构建了高度可编程的瓶刷DNA结构（BD）。随后，将这些瓶刷DNA分子作为多价引物用于DNA的滚环扩增（RCA），设计并建立了一种被命名为瓶刷DNA引导的滚环扩增（BDP-RCA）的新型DNA扩增技术（图1，2）。

图2. BDP-RCA技术的设计

BDP-RCA技术可以以可控的方式快速产生具有超高分子量的分支DNA产物，在短时间内产生的DNA产物量远高于普通RCA。此外，BDP-RCA的产物在水溶液中显示出网状结构，冻干后的结构则由直径约为0.7微米的均匀的纳米花组成（图3）。

图3. BDP-RCA介导的DNA可控合成及产物表征

在此基础上，课题组通过若干实例验证了BDP-RCA技术在生物分子检测方面的应用。通过利用BDP-RCA技术快速放大目标体系中的检测信号，成功实现了对人α-凝血酶的超高灵敏度检测，检测限（LOD）可以低至1.1 pM（图4）。

图4. BDP-RCA介导的生物分子的快速超高灵敏度检测

另外，课题组还展示了BDP-RCA技术在低浓度目标蛋白和细胞的捕获、富集和保存中的应用。通过使用磁珠固定的内嵌凝血酶核酸适配体的BDP-RCA产物，成功实现了人α-凝血酶的捕获、富集、保存和检测，LOD可以低至68.5 pM（图5）。同时，被BDP-RCA产物捕获之后的目标蛋白分子在经历长时间的保存之后仍具有相当高的活性，这就进一步拓展了该技术的应用场景。

图5. BDP-RCA介导的检测目标分子的捕获、富集和保存

综上，本研究基于人工碱基和点击化学技术构建了新型的瓶刷状DNA分子结构（BD），接着在此基础上建立了瓶刷DNA引导的滚环扩增（BDP-RCA）技术，并通过若干例子展示了其在新型生物材料制备、生物检测和医学诊断方面的巨大应用潜力。

该工作得到了广东省“珠江人才计划”青年拔尖人才项目（2019QN01Y228），广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队（2019ZT08Y318），国家自然科学基金面上项目（21978100），以及国家重点研发计划“合成生物学”重点专项（2019YFA0904102）的资助。