DNA傳感器突破人類感知極限

作者：admin  來(lái)源：本站  發(fā)表時(shí)間：2012/11/27 8:48:14  點(diǎn)擊：2072

最近，在美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)召開的一個(gè)會(huì)議上，DNA再一次成為眾人關(guān)注的焦點(diǎn)。但是這一次有些不同，DNA分子所充當(dāng)?shù)慕巧�不再是生命遺傳物質(zhì)，而變成了傳感器的敏感元件。用DNA分子制造的傳感器可以被廣泛應(yīng)用到疾病的診斷與治療中。可以說(shuō)未來(lái)它將與我們的健康息息相關(guān)。劉老師，一般人可能不太了解傳感器是什么裝置，它是干什么用的。請(qǐng)您為我們介紹一下。

劉仲明：好的。人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官。而單靠人們自身的感覺(jué)器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律時(shí)或者在生產(chǎn)活動(dòng)中，它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，我們就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，相當(dāng)于人的感官。傳感器是一個(gè)裝置，它是一種將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的裝置，這樣就能滿足信號(hào)的傳輸、處理、儲(chǔ)存、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程，甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域�？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，從茫茫太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。

遼寧日?qǐng)?bào)：傳感器分類多種多樣，我們提到的DNA分子制作的傳感器是哪一種？

劉仲明：這種傳感器被稱之為基因傳感器，它是生物傳感器的一種。

DNA生物傳感器是一種能將目標(biāo)DNA的存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)電信號(hào)的傳感裝置。它由兩部分組成，一部分是識(shí)別元件，即DNA探針，另一部分是換能器。識(shí)別元件主要用來(lái)感知樣品中是否含有待測(cè)的目標(biāo)DNA；換能器則將識(shí)別元件感知的信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以觀察記錄的信號(hào)（如電流大小、頻率變化、熒光和化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度以及光吸收程度等）。通常是在換能器上固化一條單鏈DNA，通過(guò)DNA分子雜交，對(duì)另一條含有互補(bǔ)序列的DNA進(jìn)行識(shí)別（堿基互補(bǔ)配對(duì)原則），形成穩(wěn)定的雙鏈DNA，通過(guò)聲、光、電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)目標(biāo)DNA進(jìn)行檢測(cè)。

遼寧日?qǐng)?bào)：它是如何為我們延伸感官的呢？

劉仲明：其原理是通過(guò)固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子（也稱為ssDNA探針）和另一條互補(bǔ)的ss－DNA分子（也稱為目標(biāo)DNA）雜交，形成的雙鏈DNA會(huì)表現(xiàn)出一定的物理信號(hào)，最后由換能器反應(yīng)出來(lái)。

下面我以DNA電化學(xué)傳感器檢測(cè)基因損傷為例，為大家詳細(xì)解說(shuō)一下它的工作原理。DNA堿基互補(bǔ)具有選擇性和特異性，所以我們常把需要檢測(cè)的DNA（目標(biāo)DNA）的互補(bǔ)鏈作為探針。當(dāng)探針與目標(biāo)DNA堿基互補(bǔ)配對(duì)成功時(shí)，通過(guò)DNA鏈的電流會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，電信號(hào)出現(xiàn)變化，這種變化就提示我們兩者已經(jīng)互相吻合了。從另一個(gè)角度講，如果電信號(hào)未發(fā)生變化，也暗示著這段DNA可能存在損傷。

說(shuō)得再通俗一點(diǎn)，這就像把一堆銅幣堆在一起，恰當(dāng)對(duì)準(zhǔn)的話它們就能導(dǎo)電。如果這堆硬幣中一個(gè)出了差錯(cuò)或放得不好，導(dǎo)電性就會(huì)下降。如果是堿基對(duì)搭配不當(dāng)，或出現(xiàn)了可能致癌的損傷，線路就會(huì)被打亂，電流就不能暢通。

這就如同用一把鑰匙開一把鎖，如果鑰匙與鎖的缺口形狀無(wú)法吻合，我們就知道它們二者是不匹配的，鎖可能出現(xiàn)了問(wèn)題。如果它們形狀吻合，則可依鑰匙上的標(biāo)簽判斷出鎖的屬性。

靈敏快速準(zhǔn)確非常適合醫(yī)學(xué)檢測(cè)

遼寧日?qǐng)?bào)：DNA分子非常微小而脆弱，我們?nèi)绾喂潭ú⑹褂盟�呢�?

劉仲明：你說(shuō)的這個(gè)問(wèn)題很重要，生物敏感材料的固定化技術(shù)是基因傳感器研究的重要一環(huán)，也是制備生物傳感器的關(guān)鍵。這項(xiàng)技術(shù)決定了傳感器的功能、性能和質(zhì)量。說(shuō)得具體一點(diǎn)還關(guān)乎傳感器的靈敏度、線性范圍、穩(wěn)定性及使用壽命�，F(xiàn)在固定DNA探針的技術(shù)有共價(jià)鍵結(jié)合法、自組裝膜法、電集合法、表面富集法這么幾種主要方法。

共價(jià)鍵結(jié)合法是通過(guò)共價(jià)鍵使生物活性分子與電極表面結(jié)合而進(jìn)行固定的方法。固定電極之前首先要對(duì)電極進(jìn)行活化預(yù)處理，再引入活性鍵合基團(tuán)（如氨基、羧基等），然后進(jìn)行表面的共價(jià)鍵合，把含預(yù)定功能團(tuán)的探針?lè)肿庸潭ǖ诫姌O表面。

當(dāng)然我們還使用自組裝法來(lái)固定DNA。這項(xiàng)技術(shù)一般利用一段帶巰基的DNA片段，在金電極表面形成自組裝單分子膜來(lái)固定核酸探針。

其他還有幾種常用的方法，我在這里就不一一介紹了。

遼寧日?qǐng)?bào)：DNA傳感器作為生物傳感器的一種，它有哪些與眾不同的特點(diǎn)？

劉仲明：DNA傳感器是一類特殊的傳感器，它是在生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透的基礎(chǔ)上成長(zhǎng)起來(lái)的。它特異性強(qiáng)，DNA分子雙鏈之間具有非常高的特異性識(shí)別能力；分析速度快，可以在1分鐘得到結(jié)果；準(zhǔn)確度高，誤差極�。徊僮飨到y(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析；成本低，在連續(xù)使用時(shí)，測(cè)定價(jià)格低廉。特別是它具有高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)。

遼寧日?qǐng)?bào)：與其他領(lǐng)域相比，DNA傳感器在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用離我們更近，也更為大家所關(guān)注，您能具體談一下這方面的應(yīng)用嗎？

劉仲明：隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到除外傷以外，包括傳染性疾病、遺傳性疾病及惡性腫瘤等所有的疾病都與基因有關(guān)系，因此應(yīng)用在基因檢測(cè)方面的DNA傳感器就顯得十分重要。

比如，乙型肝炎是乙肝病毒（HBV）所引起的一種傳播快、潛伏期長(zhǎng)、危害廣的傳染病,我國(guó)慢性無(wú)癥狀HBV感染者或慢性無(wú)癥狀HBV攜帶者已超過(guò)1.2億，是HBV感染者中存在數(shù)量最大的群體。如果采用上面我介紹過(guò)的自組裝單分子膜技術(shù)，將巰己基修飾的探針的單鏈DNA探針固定在金電極表面，制得DNA電化學(xué)傳感器，以某種電活性物質(zhì)為指示劑，就可以獲得特異性好、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短的DNA傳感器。它對(duì)血清樣品中乙肝病毒DNA的響應(yīng)則更理想。換句話說(shuō)，DNA傳感器能幫助我們正確、快速、高質(zhì)量地檢測(cè)出受試者體內(nèi)是否已經(jīng)感染慢性無(wú)癥狀HBV或者已經(jīng)攜帶這種病毒。

眾多行業(yè)都需要應(yīng)用前景十分廣闊

遼寧日?qǐng)?bào)：除了臨床醫(yī)學(xué)外，生物傳感器還有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？

劉仲明：生物傳感器在近幾十年獲得可喜的發(fā)展。尤其分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合后，這種發(fā)展正在加速進(jìn)行，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域顯露出廣泛的應(yīng)用前景。

比如，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個(gè)重要指標(biāo)，已開發(fā)的生物傳感器可用來(lái)分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。食品工業(yè)中對(duì)食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測(cè)是評(píng)價(jià)食品質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)。現(xiàn)在已經(jīng)有人開發(fā)出測(cè)定魚降解過(guò)程中產(chǎn)生的肌苷一磷酸等物質(zhì)的濃度，進(jìn)而評(píng)價(jià)魚鮮度的傳感器。

近年來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，人們迫切希望擁有一種能對(duì)污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測(cè)的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。目前，已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測(cè)是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。

此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等。

遼寧日?qǐng)?bào)：您覺(jué)得這項(xiàng)研究領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向是什么？

劉仲明：現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，傳感器的研究需要在穩(wěn)定性、可靠性方面尋求新的突破。只有打造更加穩(wěn)定可靠的生物傳感器，臨床檢驗(yàn)方面應(yīng)用才會(huì)得到大幅度的拓展。

另外，傳感器還將朝著微型化、集成化方向發(fā)展。隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷的微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們?cè)诩抑羞M(jìn)行疾病診斷、在市場(chǎng)上直接檢測(cè)食品成為可能。而且，未來(lái)的生物傳感器必定與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實(shí)現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、結(jié)果一條龍，形成檢測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)。隨著這兩個(gè)方向研究的不斷深入，產(chǎn)品成本的逐漸下降，曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室展現(xiàn)巨大應(yīng)用前景的生物傳感器，也將會(huì)“飛入尋常百姓家”。

我們還應(yīng)該看到，生物傳感器的研究本質(zhì)上依仗的是生物學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)的不斷進(jìn)步。尤其新材料技術(shù)是我們研究必須瞄準(zhǔn)、密切關(guān)注的領(lǐng)域，它能促成生物傳感器極大的飛躍。

專家檔案

劉仲明 廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院高級(jí)工程師、技術(shù)顧問(wèn)，多年來(lái)一直從事生物傳感器的研究工作。曾獲全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家發(fā)明三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。技術(shù)二級(jí)。 1978年出席了全國(guó)科學(xué)大會(huì)，并被評(píng)為全國(guó)科技先進(jìn)工作者，受到黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的接見。榮立二等功、三等功各1次。 1993年10月起享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。