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上海高研院在框架核酸光学多维编码方向取得进展
时间:2021-07-14 来源:
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近日,中国科学院上海高等研究院李江研究员带领的团队,在利用框架核酸发展荧光多维编码系统方面取得进展,研究成果以“Encoding fluorescence anisotropic barcodes with DNA frameworks”为题发表在Journal of the American Chemical Society 

不同颜色的荧光染料可用于同时标记多种不同的生物分子或细胞,对于生物医学研究、信息存储编码/索引等方面的应用具有重要价值。但是,由于荧光染料发射光谱重叠的限制,可见光范围内可区分的荧光颜色数量通常局限于4种。荧光各向异性(FA)是一种与分子的结构与运动相关的特征,可以作为另一种维度的颜色信息(伪色),将原本无法区分的荧光分子区分开,从而扩展多色标记的多重性。然而,染料分子的FA水平往往容易受到环境中的多种因素影响,难以作为稳定的颜色标记。 

在荧光蛋白中,由肽链构成的框架可以将荧光发色团与外界环境隔离,从而稳定发色团的荧光活性。改变肽链的序列和结构,可有效地调控荧光蛋白的亮度和光稳定性。受到这一启发,该研究团队利用类似荧光蛋白的核酸框架结构,将荧光染料精确放置在了纳米框架的不同位置,从而构建了具有不同FA水平的核酸框架探针“荧光各向异性框架”(图1a)。研究发现,在复杂环境中荧光各向异性框架可以显著地提高荧光染料的FA稳定性(图1b-e)。因此,可以通过稳定的FA差别有效区分发射光谱重叠的荧光染料。更重要的是,通过调整荧光染料在核酸框架上的位置,可以确定地调控FA水平的高低(图2)。基于以上发现,该团队利用两种FA差异与两种光谱色差异的组合,构建了8种荧光各向异性条形码,并将其成功应用于微小RNA芯片检测和活细胞标记荧光成像。综上,该系统从荧光各向异性的维度拓展了传统荧光标记的多重性,在空间组学研究、DNA高维信息存储等前沿领域具有应用前景。 

该工作获得了国家重点研发计划, 国家自然科学基金, 上海市科学技术委员会的资助。 

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c04942 

 

1. 核酸框架结构提高染料分子的荧光各向异性(FA)稳定性。(a)核酸框架与荧光蛋白框架的类比;(b)核酸框架探针结合目标分子前后的FA变化示意图;(c)单链DNA和核酸框架探针结合目标分子前后FA的变化。 

 

2. 调整荧光染料在核酸框架上的位置实现对FA的调控。(a)核酸框架上手臂链的空间取向示意图;(b)不同长度手臂链带来的FA差异;(c)手臂链不同朝向带来的FA差异。 

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