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DNA傳感器突破人類感知極限

作者：admin  來源：本站  發(fā)表時(shí)間：2012/11/27 8:48:14  點(diǎn)擊：2050

最近，在美國化學(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。可以說未來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，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，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，傳感器是人類五官的延長，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、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。可以毫不夸張地說，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)別元件主要用來感知樣品中是否含有待測的目標(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，通過聲、光、電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)目標(biāo)DNA進(jìn)行檢測。

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。

下面我以DNA電化學(xué)傳感器檢測基因損傷為例，為大家詳細(xì)解說一下它的工作原理。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

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：你說的這個(gè)問題很重要，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。現(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)的探針分子固定到電極表面。

當(dāng)然我們還使用自組裝法來固定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)上成長起來的。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，誤差極小；操作系統(tǒng)比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析；成本低，在連續(xù)使用時(shí)，測定價(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、危害廣的傳染病,我國慢性無癥狀HBV感染者或慢性無癥狀HBV攜帶者已超過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，DNA傳感器能幫助我們正確、快速、高質(zhì)量地檢測出受試者體內(nèi)是否已經(jīng)感染慢性無癥狀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)出測定魚降解過程中產(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，環(huán)境污染問題日益嚴(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、大氣環(huán)境監(jiān)測等領(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)：您覺得這項(xiàng)研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向是什么？

劉仲明：現(xiàn)在來說，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、在市場上直接檢測食品成為可能。而且，未來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，多年來一直從事生物傳感器的研究工作。曾獲全國科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家發(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年出席了全國科學(xué)大會(huì)，并被評(píng)為全國科技先進(jìn)工作者，受到黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的接見。榮立二等功、三等功各1次。 1993年10月起享受國務(wù)院政府特殊津貼。