紅細(xì)胞:

6,000-9,000nm白細(xì)胞:

10,000nm一般細(xì)菌:

1,000–10,000nm

一般病毒:

75–100nm蛋白質(zhì)：

5–50nmDNA(雙鏈寬)：

2nm謀求靈敏、準(zhǔn)確地在分子層面，以致在活體內(nèi)，將生物分子的成分、結(jié)構(gòu)、相互作用等信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跈z測的光、電等信號變化。尺度和量的概念1951年，英國科學(xué)家威爾金斯和富蘭克林利用X射線衍射技術(shù)拍攝到了DNA晶體照片。

1952年，奧地利科學(xué)家查哥夫研究指出：生物DNA中，堿基A和T的含量總相等，G和C的含量相等。1953年，美國科學(xué)家沃森和英國科學(xué)家克里克在Nature雜志上發(fā)表了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)（20世紀(jì)生物科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)）。1962年，沃森、克里克和威爾金斯獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出標(biāo)志現(xiàn)代分子生物學(xué)的誕生。

歷史回顧：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是怎樣發(fā)現(xiàn)的？DNA分子的特點：

穩(wěn)定性：脫氧核糖和磷酸交替連接方式不變，堿基配對原則不變，可反復(fù)變性和復(fù)性。

多樣性：DNA分子堿基對的排列順序千變?nèi)f化，一天n個堿基的DNA分子排列方式有4n種。

特異性：基于堿基配對原則，DNA能特異性識別與其完全互補(bǔ)的DNA或RNA序列。合成和標(biāo)記簡單且已經(jīng)自動化和市場化。核酸分子的優(yōu)越性質(zhì)：1.Watson-Crick堿基互補(bǔ)配對，金屬-堿基對，G或C四聚體等；2.作為生物催化劑（核酶），與蛋白酶發(fā)生特異性相互作用；3.可人工合成，便于修飾和衍生化功能分子（鎖核酸等）；4.核酸適配體---基于核酸的特定空間構(gòu)型特異性識別靶分子

（離子、蛋白、細(xì)胞等）；5.與納米結(jié)構(gòu)結(jié)合，用于腫瘤等的成像和治療研究；6.臨床應(yīng)用等目標(biāo)DNA1.1Watson-Crick堿基互補(bǔ)配對—分子信標(biāo)

分子信標(biāo)是個呈發(fā)夾結(jié)構(gòu)、設(shè)計十分巧妙的短鏈DNA分子。由于它特殊的結(jié)構(gòu)，自從1996年被首次合成出來以后，它已經(jīng)被非常廣泛地應(yīng)用于PCR定量、基因分型、基因芯片、活細(xì)胞內(nèi)mRNA分析以及蛋白質(zhì)（酶）研究等領(lǐng)域。分子信標(biāo)的工作原理：K.Wang,W.Tan,etal.Angew.Chem.Int.Ed.2009,48,856

無靶標(biāo)存在下，莖環(huán)結(jié)構(gòu)使得熒光基團(tuán)和淬滅基團(tuán)相互靠近，發(fā)生FRET，熒光淬滅。加入靶序列后，分子信標(biāo)環(huán)部與之互補(bǔ)配對形成剛性并且更穩(wěn)定的雙鏈雜交體，使熒光基團(tuán)和淬滅基團(tuán)距離增大，阻止FRET發(fā)生，熒光恢復(fù)。E:FRET效率R:熒光給體與受體之間的距離J.Huang,K.Wang,W.Tan,etal.

Angew.Chem.Int.Ed.2011,50,401雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)用于DNA的高靈敏檢測---Watson-Crick堿基互補(bǔ)配對

雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)用于DNA的比色檢測

---

Watson-Crick堿基互補(bǔ)配對P.Liu,X.Yang,K.Wang,etal.Anal.Chem.2013,85,7689?7695L.He,X.Yang,K.Wang,etal.

Chem.Commun.,2014,50,7803--7805Watson-Crick堿基互補(bǔ)配對啟發(fā)的自組裝構(gòu)型開關(guān)用于核酸雜交調(diào)控1.2金屬-堿基對T-Hg2+-T的結(jié)構(gòu)C-Ag+-C的結(jié)構(gòu)AngewandteChemieInternationalEdition,2004,43(33):4300-4302ChemicalCommunications,2010,46(9):1476-1478AnalyticalChemistry,2009,81(6):2144-21491.3G四聚體G-quadruplex–aptamerasadrugdeliverycarrierAngew.Chem.Int.Ed.2011,50,6098–61012.1作為生物催化劑（核酶）---核酶探針如上圖，由于DNAzyme與底物鏈發(fā)生分子內(nèi)雜交,熒光基團(tuán)與猝滅基團(tuán)相互靠近,導(dǎo)致熒光猝滅.當(dāng)Pb2+存在時,DNAzyme被激活,底物鏈被切斷后釋放出熒光基團(tuán)標(biāo)記的DNA片段,從而產(chǎn)生明顯的熒光信號.據(jù)此可在常溫下快速檢測Pb2+,檢測下限為10nmol/L.

核酶（Ribozyme）是具有催化功能的RNA分子，是生物催化劑，可降解特定RNA序列。它的發(fā)現(xiàn)打破了酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念。有一些DNA分子同樣具有催化功能。1981年由Cech等人在研究四膜蟲前體rRNA拼接機(jī)制時發(fā)現(xiàn)，并因此獲得1988年諾貝爾化學(xué)獎。MolecularBeaconOligoALigationHybridABOligoBBindingNTFSNTFS(NucleotideFragmentSense)平臺技術(shù)實時監(jiān)測核酸的連接過程該平臺還被用于核酸磷酸化過程監(jiān)測，NAD等的高靈敏檢測2.2與蛋白酶發(fā)生特異性相互作用---核酸片段檢測（NTFS）平臺技術(shù)（NucleicAcidRes.,2003,31,e148;NucleicAcidRes.,2005,33,e97；Analyst,2005,130,350-357;Anal.Biochem.,2006,353,141-143;BiomedicalPhotonicsHandbook,2003,p57-1~57-23,）Z.Tang,K.Wang*etal.Anal.Chem.,2011,83,2505利用E.ColiDNA連接酶具有對NAD的高度依賴性，檢測NAD+Q.Guo,

X.Yang,K.Wang,etal.NucleicAcidsRes.2009,37,e20.基于DNA聚合酶的鏈置換聚合反應(yīng)用于DNA的高靈敏檢測硫代化核酸結(jié)構(gòu)示意圖2’-O-甲基RNA結(jié)構(gòu)示意圖肽核酸結(jié)構(gòu)示意圖鎖核酸結(jié)構(gòu)示意圖衍生物類型抗酶切能力選擇性雜交親和力荷電性非特異性結(jié)合毒性硫代化核酸較強(qiáng)中稍微降低負(fù)電高高毒性2’-氧甲基RNA較強(qiáng)中稍微增強(qiáng)負(fù)電高低毒性肽核酸強(qiáng)高強(qiáng)中性低低毒性鎖核酸極強(qiáng)高強(qiáng)負(fù)電底無毒性核酸衍生物性能比較3.核酸衍生物的性能結(jié)合條件可控修飾靈活親和力高篩選周期短，成本低靶分子種類廣泛特異性強(qiáng)分子量小，無免疫原性

穩(wěn)定、易保存4.核酸適配體Aptamar----”ChemicalAntibody”Theoretically,anythingweuseantibodiestoday(formolecularrecognition,molecularinteraction,diagnosis,andtherapeutical)canbereplacedwithsyntheticDNAprobeswhichcanbepreparedreproduciblyinourlabsusingaDNAsynthesizer.

核酸適配體：由15-60個堿基組成的能特異識別靶分子的單鏈DNA/RNA，識別對象包括小分子、蛋白質(zhì)、細(xì)胞等。Designer

DNA/RNA核酸適配體的定義核酸適配體靶分子ATP核酸適配體

分子識別的基礎(chǔ)不是堿基互補(bǔ)配對折疊成特定的二級與三級結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)與靶分子構(gòu)象匹配J.Liu,X.Yang*,K.Wang*,etal.Anal.Chem.2013,85,11121?11128Aptamer輔助的量子點自組裝用于ATP的熒光傳感小分子ATP

aptamerQ.Wang,X.Yang*,K.Wang*,etal.Anal.Chem.2014,86,6572?6579正/反篩集成的微流控芯片用于肌紅蛋白aptamer的篩選肌紅蛋白aptamerJ.Huang,K.Wang,W.Tan,etal.Anal.Chem.2010,82,10158將aptamer序列嵌入到分子信標(biāo)的互補(bǔ)鏈，與目標(biāo)識別時發(fā)生競爭反應(yīng)，可以引起構(gòu)型變化，分子信標(biāo)恢復(fù)發(fā)夾結(jié)構(gòu)，釋放信號。溶菌酶aptamer細(xì)胞膜蛋白觸發(fā)構(gòu)型變化的激活式核酸適體探針，用于腫瘤活體熒光成像。檢測原理示意圖

創(chuàng)新性提出了“激活式核酸適體探針”概念，該探針與傳統(tǒng)“alwayson”核酸適體探針相比，有效降低了非特異性背景信號，在腫瘤部位產(chǎn)生了更高的對比度并大大縮短診斷時間，有望為實現(xiàn)腫瘤早期診斷提供一種更為靈敏的檢測方法。Cellaptamer5.與納米結(jié)構(gòu)結(jié)合，用于腫瘤等的成像和治療研究分子信標(biāo)用于果蠅卵母細(xì)胞內(nèi)mRNA成像PNAS,2003,100,13308核酸適體用于腫瘤細(xì)胞的識別PNAS,2006,113,11838