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人才强校 | 功能核酸研究团队在Angew. Chem. Int. Ed.、TrAC-Trend Anal. Chem.期刊连续提出功能核酸领域两个重要概念

食品学院 2019年11月25日 报道 浏览次数:

本网讯 近日,中国农业大学食品科学与营养工程学院/北京食品营养与人类健康高精尖创新中心功能核酸研究团队在化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie-International Edition》(2018-2019年IF 12.257)和《TrAC-Trends in Analytical Chemistry》(2018-2019年IF 8.428)上在线发表了两篇综述文章论述“功能核酸裁剪”“功能核酸纳米材料”两个关键概念。

 第一篇综述题为“Functional nucleic acid-nanomaterials: development, properties, and applications”,发表于《Angewandte Chemie-International Edition》。该综述明确了“功能核酸纳米材料”的概念,将功能核酸与纳米材料的相互关系以“阴阳五行八卦图”的形式概括总结。该综述首先概括介绍了功能核酸领域的发展历程,之后按照“基团→性质→组合→应用”的递进关系,依次介绍了各种功能核酸和纳米材料的基团特性和独特性质,分析了二者组合的原则、特点和优势,并将其概括为偶联、吸附、核酸金属化、核酸沉积和核酸自组装五种基本形式,最后综述了功能核酸纳米材料在生物成像、生物传感和生物医学等领域应用的优势、亟待解决的问题和未来的发展方向。

综述首先介绍了纳米技术领域重要的研究与发展趋势,包括纳米材料的合成、表征以及结构的模拟和预测;纳米材料的功能化;纳米元件的构建;在纳米尺度上执行机械工作的纳米机器的构建。之后指出了将功能核酸与纳米材料进行结合的缘由与必要性,即功能核酸具有优良且易于修饰的官能团、灵活的结构、高效的催化能力和构建各种复杂图案和结构的潜力,而纳米材料的基团分布、电荷特性和结构特点决定了如何将它们与功能核酸进行结合。纳米材料为功能核酸的锚定、切割、连接、折叠、展开和递送提供了稳定的平台,而功能核酸提高了纳米材料的靶向性和递送能力,大大拓宽了纳米材料的应用领域。同时,该综述介绍了自20世纪90年代至今,从适配体的发现到FDA批准RNAi药物Onpattro上市,功能核酸纳米材料领域取得的具有里程碑意义的重大研究突破与进展。


该综述以功能核酸和纳米材料的相互作用为核心,重点总结并阐述了功能核酸与纳米材料之前不同的相互作用方式的理论和结构基础及构建所得的功能核酸纳米材料所具有的独特的优势。最后,综述总结介绍了功能核酸纳米材料领域未来的发展趋势及亟待解决的问题:发现更多种类的功能核酸同时阐释其与靶物质的反应机理;制备性质更加均一、可控、高效的功能核酸纳米材料;将功能核酸作为配体直接参与纳米材料的合成而无需任何修饰;提高功能核酸纳米材料用于药物递送时的靶向效率。

中国农业大学为该论文的第一作者单位,中国农业大学食品科学与营养工程学院/北京食品营养与人类健康高精尖创新中心罗云波教授和伊利诺伊大学-厄巴纳-香槟化学系陆艺教授为该论文的共同通讯作者,食品科学与营养工程学院/北京食品营养与人类健康高精尖创新中心许文涛副教授和博士生贺万崇为该论文的共同第一作者。


第二篇综述题为“Functional nucleic acids tailoring and its application”,发表于《TrAC-Trends in Analytical Chemistry》。该综述首次提出了“功能核酸裁剪”的概念,将整个剪裁策略以“阴阳五行卫星图”的形式概括总结。该综述从序列裁剪、结构重组和功能变化三个层次讨论了功能核酸结构与能量的关系,主要从劈裂、减短、增长、替换、融合核酸序列五个方面介绍了裁剪策略的设计、合成与分析,希望通过研究功能核酸和靶物质在活性-构象中的交互作用机制,对功能核酸的裁剪提出新的见解,并且提出在分子检测和医学领域中分析功能核酸的高级结构具有挑战性。

劈裂、减短、增长、替换和融合是裁剪功能核酸的五种基本手段。功能核酸的劈裂使其能够直接用于检测小分子靶物质,由于两个独立的核苷酸链缺乏适配体-靶标复合物的二级结构,因此不会产生假阳性或非特异性信号。功能核酸减短的优势在于减少空间位阻、增强靶物质与适配体的结合力、放大信号,因此对功能核酸的序列进行减短对于提高功能核酸的特异性和稳定性具有重要的意义。对功能核酸序列进行增长可以有效提高其识别靶物质、形成特定结构、提供间隔序列等能力,增加的核苷酸能够提供连接位点,避免影响原始核酸的功能区域,并且降低了载体对功能核酸发生非特异性吸附的可能性。功能核酸的替换一般具有增强结合力、降低背景值等优势。通过功能核酸之间的融合,能够有效提高功能核酸之间的协同结合能力,增强靶标结合亲和力,提高检测效率。

中国农业大学为该论文的第一作者单位和第一通讯单位,食品科学与营养工程学院/北京食品营养与人类健康高精尖创新中心许文涛副教授为该综述的通讯作者,食品科学与营养工程学院硕士生肖星凝、博士后朱龙佼为该论文的共同第一作者。


通过以上两项工作,核酸研究团队首次提出了“功能核酸裁剪”和“功能核酸纳米材料”两个关键概念,补充完善了功能核酸领域相关的理论体系。通过与中国传统的阴阳五行意象相结合的方式,以通俗、凝练的方式阐释了“功能核酸裁剪”和“功能核酸纳米材料”的基本方式,总结了其特点、优势及应用范围,同时着重概述并反思了功能核酸领域的发展方向及目前一些亟待解决的问题,为深入研究功能核酸的性质和特点、进一步拓宽其应用领域提供了总结与参考。

以上两项工作得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金以及美国国家卫生研究所的资助。

责任编辑:马文哲
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