《自然•通讯》再次发表马兴毅成果：金纳米的“设计+合成”实现基因单点检测

等离子纳米材料在光学传感领域应用广泛，这类纳米材料可与光相互作用，具有极高的灵敏性和可操作性。其中，金纳米材料具有独特的稳定性和生物相容性，因此常作为基底材料被用于生物医学传感和成像。为保证传感效率，金纳米结构的尺度需要在100纳米以下；为提高应用效率，材料多为液相合成，便于在溶液中修饰探针，探测疾病标识物。

之前尚没有液相合成法，精确制备出结构预先设计的金纳米颗粒。金纳米颗粒有很多结构，例如纳米棒、纳米多面体、纳米片等，但所有这些结构都是通过添加不同的辅助化学分子（如CTAB），采用试错法并不断积累经验而获得。如果想要合成球面带有一个分枝的颗粒，以上方法都无能为力，更无法合成预先设计的更为复杂的结构。

在生命体中，DNA指导合成蛋白质。韩国高丽大学融合化工系统研究所研究教授马兴毅首次提出，可将DNA分子作为骨架，指导金纳米颗粒的合成，相关成果在2016年发表于《自然•通讯》。最近，马兴毅及其所在团队联合首尔国立大学和美国科罗拉多大学的学者利用DNA分子调控合成出结构预先设计的高灵敏金纳米颗粒，实现了对乳腺癌相关基因中单点突变的识别诊断，相关成果再次发表在《自然•通讯》上并引起纳米材料和医学工程界关注。

图1：设计性合成等离子纳米颗粒

（a） 用于光谱传感的等离子纳米结构的建模；

（b） 不同结构的灵敏度分析；

（c） 合成带有“纳米桥”结构的金颗粒；

（d） 对新型结构的X射线衍射分析；

（e） 对新型结构的高分辨透射电子显微学分析。

图2：单颗粒传感技术

（a） 传感示意图；

（b） 新型金颗粒的散射曲线和暗场显微照片；

（c） 金颗粒对表面的生物分子间的反应做出灵敏的信号响应，表现为光谱位移；

（d） 用于诊断基因突变的传感芯片的检测示意图；

（e） 基因错配识别蛋白的结合动力学分析；

（f） 靶基因的检测动力学分析。

图3：单位点基因突变的识别

（a） 传感芯片对8类突变的实时检测信号；

（b） 不同突变类型的检测数据线图集。

图4：传感芯片的可靠性验证

（a） 改变基因错配识别蛋白的浓度分析传感信号；

（b） 传感过程的动力学分析。

图5：诊断基因单点突变的标准化数据图集

以线图集的形式描绘人类基因错配修复蛋白MutS对单碱基突变的识别能力及其差异(GT>GG>+C>AA>TC>−C>AC>GA)，推出新的基因诊断方法（无需测序）。

图6：构建8款基因芯片，诊断与乳腺癌最为相关的8类突变

芯片对乳腺癌细胞HCC1937的相关基因做出的分析信号。

图7：基因芯片的应用案例

芯片对两个乳腺癌和卵巢癌的细胞样品进行诊断，将所得数值放入标准化图集，推断两个细胞分别含有单个胞嘧啶嵌入型突变、鸟嘌呤被腺嘌呤替代型突变。将细胞的基因转交给基因测序公司，发现基因中存在的单点突变类型与诊断结果一致。

本成果的设计者马兴毅毕业于哈尔滨工业大学，并分别于成均馆大学（SKKU）和高丽大学（Korea University）获得工学硕士和博士学位，现在高丽大学融合化工系统研究所担任全职研究教授，以技术产业化和科研立项为工作重点，主要负责纳米生物技术的研发，具体领域是医学纳米传感和生物工程发酵，研究方向包括（1）利用生物分子，制备新型光学纳米材料，用于医学传感和成像，（2）利用微流体芯片筛选靶细胞，将细胞用于高效生物发酵，制备抗肿瘤活性物质，主要成果获得韩国科技部表彰。如有讨论和合作，请致信maxy@korea.ac.kr。

文献链接：

【1】Single gold-bridged nanoprobes for identification of single point DNA mutations. Nature Communications

【2】Gold nanocrystals with DNA-directed morphologies. Nature Communications