我们2007年编写的“分子生物学”教材，专门论述过DNA三维纳米材料的知识。七年后，我们看到中国科学家已经把这个材料引入到活细胞中发挥作用。
中科院上海应用物理研究所现任物理生物学研究室主任樊春海（40岁）的课题组和担任物理生物学研究室副主任黄庆的课题组，应用一系列先进的细胞显微成像技术，并结合生物化学手段，清晰展示了一类自组装DNA四面体结构在活细胞中的摄取与转运过程，为其在药物载运和治疗方面的应用奠定了良好基础。相关成果2014年8月以封面论文形式发表于《德国应用化学》杂志（Angew. Chem. Int.
Ed. 2014,
53，7745-7750）。
DNA不仅是生命的密码，还可作为制造纳米级构件和机器的通用元件。利用DNA分子的自组装特性，DNA纳米技术领域的研究者可以根据简单的核酸碱基配对法则，设计并在试管中构造出精确而复杂的DNA纳米结构。
DNA四面体结构是一类重要的自组装DNA纳米结构。2011年，任科技部重大科学研究计划（纳米）首席科学家的樊春海和黄庆课题组，在国际上首次报道了DNA四面体结构可以作为一种纳米尺度的药物载体，将具有免疫刺激效应的CpG寡核苷酸转运进入细胞并刺激产生特定的细胞因子，其有望成为一种免疫治疗药物（ACS
Nano 2011, 5,
8783-8789）。之后，国际上多个课题组相继报道了利用DNA纳米结构作为药物载体的工作。然而，细胞膜具有负电性，通常会将同样带有负电荷的核酸分子屏蔽在膜外。这些DNA纳米结构如何穿越细胞膜屏障进入细胞成为一个谜。
此次科学家利用全内反射显微镜、单粒子示踪等细胞成像技术，实时观察到了DNA四面体结构穿过细胞膜并在胞内运输的过程，同时揭示了其最终命运。研究表明，DNA四面体结构的细胞摄取是一种能量依赖过程，在细胞膜上的小窝蛋白介导下产生内吞，该过程可在1分钟内完成。之后，DNA四面体结构通过由微管蛋白构成的细胞骨架系统进行运输，并最终到达溶酶体而被降解。
“当DNA四面体结构被连接上信号肽分子后，还可以改变细胞命运。例如，载有核定位序列NLS的DNA四面体结构，可以从溶酶体中逃逸出来进入细胞核内。”樊春海表示，当DNA分子组装成纳米结构后，可以像病毒一样借用细胞本身的转运系统“侵染”细胞，这为研制纳米机器人最终实现纳米诊疗提供了新的可能。
DNA纳米技术利用核酸分子的强大识别能力来设计和构造功能纳米结构，这种新型纳米生物技术近年来获得了快速发展和广泛关注。中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室樊春海和黄庆课题组应邀在权威化学综述杂志Accounts
of Chemical Research以“Physical and Biochemical
Insights on DNA Structures in Artificial and Living
Systems”为题撰写了DNA纳米结构生物应用的综述论文
(Acc. Chem. Res., 2014, 47,
1720-1730)。
DNA作为主要的遗传学物质，在生命活动中具有无可比拟的重要作用。由于DNA分子具有高度特异性的互补配对能力，DNA还被作为结构分子来构建各种精确可控的纳米结构。近年来，各种DNA纳米结构已被越来越广泛地应用于生物物理、药物载运、疾病诊断和治疗等领域。这些应用研究也促使研究者对于DNA纳米结构与人工或生命体系的相互作用过程和机制产生了浓厚的兴趣。特别是如何理解和调控DNA纳米结构的理化性质对界面作用的影响，以充分发挥DNA的独特优势，已成为该领域研究的一个重要问题。针对这一问题，樊春海和黄庆课题组通过多年的合作，构建了一系列从一维到三维的DNA纳米结构，并系统研究了这些结构与无机材料的界面复合过程，以及在细胞界面上的作用机制，并在此基础上拓展和优化了DNA纳米材料的生物学应用，包括基于DNA构象变化的生物传感、基于DNA自组装的纳米载药系统和基于DNA折纸术的纳米反应器等，相关结果在JACS,
Angew. Chem., Adv.
Mater.等国际著名杂志发表了一系列研究论文。
2014年3月26日，中科院上海应用物理研究所物理生物学研究室主任樊春海研究员和副主任黄庆研究员应邀在中科院上海高等研究院分别做了题为“基于电化学检测的生物传感技术”和“纳米材料的生物学效应”的精彩学术报告。会议由上海高研院副院长吴家睿主持,上海高研院科技发展部部长钱文国及上海高研院健康科学与技术研究部、交叉前沿与先进制造研究部、复旦大学等30多名科研人员及学生参加了此次学术报告会。
樊春海研究员的报告介绍了DNA电化学生物传感技术用于疾病早期诊断的现状。他首先向大家介绍了DNA这种生物重要遗传物质可作为纳米材料通过在溶液中自组装构建一维、二维甚至三维的纳米结构，这些DNA纳米结构在体外检测，药物递送等方面有重要应用。接着他重点阐述了一种基于DNA纳米技术的三维DNA纳米结构探针“DNA四面体”作为一种生物传感平台在基因、蛋白质等高性能检测方面的优势。传统的DNA探针常用一维（单链DNA）或二维结构（如发夹结构）DNA作为识别元件，其传感界面的均一性在制备过程中难以得到有效控制，从而影响了实际应用中检测的稳定性和重复性。而三维DNA探针具有高结构稳定性和刚性，可以有效提高DNA探针在表面分布排列的均一性，并精确调控探针之间的距离，从而显著提高了生物检测的灵敏度和特异性。这为生物传感领域打开一个新的研究契机。
金属纳米结构在与光相互作用时会产生特定的表面等离子体共振。这种基于金属纳米结构的表面等离子体光学(plasmonics)在生物传感、生物成像、光催化和太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。近期，上海应用物理研究所物理生物学研究室樊春海课题组和上海光源陈刚课题组利用DNA分子实现了对金纳米等离子体结构生长的精确调控，并利用同步辐射X射线小角散射（SAXS）技术揭示了DNA介导的纳米金花生长机制，建立了纳米金花结构与其表面等离子体共振性质的半定量关系。相关结果于近期发表于德国应用化学（Angew.
Chem. Int. Ed. 2014, 53,
8338-8342）。
金纳米颗粒在生物检测，化学催化及纳米光子学等方面具有优异的性质，且其物理化学性质高度依赖其尺寸大小及表面形貌。因此，如何在纳米尺度对其结构进精细调控引起了研究者的广泛关注。DNA分子通常是作为遗传信息的载体而为大家所熟知。然而，DNA分子所具有的精确编码性同样可以为材料领域提供新的思路。由于DNA和金表面具有很强的相互作用，上海应用物理所研究生沈建磊等尝试利用DNA来调控金纳米等离子体结构的生长，获得了结构精确的纳米金花结构。
他们利用上海光源BL16B1线站SAXS技术，对纳米金花的不同生长阶段进行原位表征，并结合投射电镜（TEM）获得了DNA调控下纳米金花在生长各个过程中产物的精细结构。基于此，揭示了DNA分子介导的复杂形貌纳米金花等离子体结构的生长机制，并利用所获得的结构参数，结合实验及光学模拟，建立了纳米金花的精细结构与其局域表面等离子体(LSPR)特性的半定量关系。进一步的研究表明，这些纳米金花等离子体结构表现出显著的表面拉曼增强效应（SERS）和暗场散射（Dark-Field
Scatter）特性，有望成为一种高灵敏的生物成像探针。
1992年，参加完高考的樊春海报考了南京大学生物化学专业。
“当时选择生物化学很盲目，一点也不了解。”樊春海回忆说，“高中时喜欢化学，但觉得单纯学化学会到化工厂一类的公司工作，因此就选择了和生物学交叉的生物化学。”
2000年，樊春海在南京大学硕博连读获得生物化学博士学位后，开始了在美国近三年的博士后研究工作。在美期间，他师从2000年诺贝尔化学奖得主Alan
Heeger教授，进行生物传感器方面的研究。
“与当时国内或美国一般的实验室相比，在一个诺贝尔奖得主实验室，看问题的视野、方式方法以及接触到的人是非常不同的。”樊春海说。
在美国期间，繁杂的科研工作曾让樊春海一度应付不来。他主动找到Heeger教授，向他请教，在很多重要的事情面前应该怎么做。
Heeger教授说：很简单，你就挑最重要的事情做。
简单的一句话为樊春海开辟出一条清晰的道路，“这句话我记忆犹新，对我的影响也最大”。
樊春海的团队将纳米技术与纳米思维引入生物检测，研发了DNA纳米生物传感器。他们希望能大大提高基因检测的效率，为基因检测的普及解决技术难题。
DNA纳米技术是近年来新兴的前沿交叉领域，一经兴起便蓬勃发展。该技术的宗旨是利用DNA分子自组装和识别能力，将其作为一种纳米材料实现精确的纳米构筑。
“我们希望在纳米的世界，通过一些先进的物理手段，实现像DNA这些生物分子按我们的意愿堆积、编织起来，构成纳米的器件。”樊春海2012年告诉《中国科学报》记者，“这个将来可能会引领新的纳米技术。”
早在2006年，年仅32岁的樊春海就将纳米领域中的重要材料纳米金应用到生物传感器的改进，使其具有高灵敏性和高特异性。
改进后的生物传感器可在1到2小时内快速检测到约2万多个DNA分子，检测灵敏度达到10飞摩尔/升，超出常规荧光DNA检测方法约3个数量级。
当时的《美国化学会志》的审稿人评论指出：“这种新型生物传感器……是一个概念上的突破，并可以使DNA分析方法变得简单。”
“我是从研究生阶段开始接触到生物传感器的，奠定下了以后的研究兴趣。”
“兴趣”是樊春海在接受采访时反复提到的一个词——自己的兴趣、研究团队的兴趣、未来科研的兴趣。
正是靠着这份“兴趣”，樊春海在纳米生物传感器方面的研究越走越远，并带领研究团队取得一系列突破性的研究成果。
樊春海先后主持或参与国家自然科学基金、国家重大科技专项、科技部重大科学研究计划等项目，发表SCI论文180余篇，完成了多种生物传感的原理设计和传感元件制作。
此外，樊春海已申请8项美国、国际专利（2项授权）和20余项中国专利，入选了中科院“百人计划”，并获得国家杰出青年基金、第十二届中国青年科技奖、中国科学院杰出青年科学家奖和第十一届中国科学院杰出青年、上海市青年五四奖章标兵等荣誉称号。
“原来我读研究生时，能够看到的文献都是别人发表半年后的，而现在互联网这么发达，我们跟美国是同步的。特别是现在国家对科研的投入这么大。”樊春海感慨地说，“在这样的大背景下，青年科技工作者只要有兴趣、肯努力，都可以尽情实现科研的梦想。
比“荧光鼻”灵敏度更高
樊春海介绍，人体的很多疾病首先反映在基因上。如果能迅速定位与该病变相关的基因及其变化，对早期预防相当重要。近几十年来，国际上对这一领域的研究很多，但主流方向是聚合酶链式反应（PCR）检测方法，这种方法检测灵敏度高，但存在仪器设备昂贵、检测过程较复杂、特异性相对较差等缺点。DNA生物传感器则有可能以它的高灵敏嗅觉，迅速将目标“揪”出来。
发展新型DNA检测方法是后基因组时代的需求，诸如生物安全、人体健康 (肝炎、艾滋病等)等领域都需要快速、便捷的DNA或RNA检测技术。电化学技术具有快速、灵敏、低能耗、易于微型化和集成化等优点，被认为是在时效、成本等有较高限定要求的场合实现DNA检测的首选技术之一。在樊春海的指导下，年轻的博士生张炯等人掌握了新的检测手段，其特色是通过对电极界面纳米尺度的精细调控，同时引入金纳米粒子进行电化学信号放大，从而显著提高了DNA检测的灵敏度。
据介绍，该生物传感器目前可在1到2小时内快速检测到约2万多个DNA分子，检测灵敏度达到10飞摩尔/升（1飞摩尔＝10－15摩尔)，超出常规荧光DNA检测方法约3个数量级。研究人员也以一种与乳腺癌相关的BRCA-1基因序列检测为模型，展示了该传感器可以进行单碱基变异性检测(即SNP分析)，具备高特异性。《美国化学会志》的审稿人评论指出：“这种新型生物传感器……是一个概念上的突破，并可以使DNA分析方法变得简单。”樊春海说，这个新型“鼻子”内部安装了一个金属纳米粒子，它是一个“扩音器”，能把检测DNA探针的电化学信号从DNA分子传输到仪器上，从而提高DNA检测的灵敏度。通过试验比较发现，电子“鼻”的“嗅觉”灵敏度比常规荧光“鼻”高出整整1000倍。
让DNA分析方法简单起来
“现在很多医院和实验室所用的检测设备，用的都是聚合酶链式反应（PCR）的检测方式。聚合酶是生物体里都有的物质，利用聚合酶链式反应可以把极微量的DNA样本扩增到数以几百亿计的DNA，就很容易检测了。1993年，其原理设计者还得了诺贝尔奖，现在这一技术已经十分成熟，是目前应用最广泛的检测方法。”樊春海说，“这种PCR检测方法是灵敏度特别高，但特异性差、检测需要仪器昂贵等问题也突出，同时链式反应需要有一个较长的升降温过程。”
据樊春海介绍，理想的检测仪器灵敏度和特异性都很高。灵敏度是指有很少的病毒就能检测出来，比如检测艾滋病病毒，灵敏的PCR检测方法能测出极微量的艾滋病病毒。但特异性可以确定病毒DNA是不是产生了变异，有时候病毒可能有一个位点发生突变，因为变化很小，低特异性的仪器就会认为还是这种类型的病毒，但实际上它已经变异成其他病毒。也就是说，灵敏度能解决有没有的问题，而特异性则能判断出是不是某种类型的病毒。
樊春海带领的研究小组采用一种基于DNA杂交反应的方法，它最大的特点是特异性高，虽然灵敏度相对PCR方法低一些，但检测过程简单、速度更快。“一般来说，检测方法灵敏度越高，越是要保证它的特异性高，检测到假阳性或假阴性都可能会引起很严重的后果。理想的状态是在保持高特异性的情况下，越快越好、越方便越好。最好能在自己家里，几分钟就测出结果。”
樊春海说，PCR的灵敏度是DNA生物传感器所不能及的，但是，现在主流的PCR检测设备大小和一台电脑相当。而樊春海课题组的目标是设计一种便携式的仪器，大小和掌上电脑差不多，重量会在1公斤左右。“随着电子工业的发展，电化学的检测设备可以做得很小，价格也越来越便宜。我们设计的这种东西，希望将来能在一个小时内将结果分析出来。它可广泛应用于小诊所、家庭或是在野外检测，让检测变得简单起来。”
“基金支持我一直研究”
生物传感器能在医学诊断、食品营养、环境监测、国防工业及人类卫生保健等诸多领域得到应用。美国YSI公司推出一种外固定化酶型生物传感器，利用它可以测定出运动员锻炼后血液中存在的乳酸水平或糖尿病人的葡萄糖水平。在癌症药物的研制方面，生物传感器也发挥了重要作用。如将癌症患者的癌细胞取出培养，然后利用生物传感器准确地测试癌细胞对各种治癌药物的反应，经过这种试验就可以快速地筛选出一种最有效的治癌药物。“9·11”事件发生后，随着全球反恐形势的严峻，科技发达国家都把生物传感器的研究作为生物技术产业化的关键技术，投入了相当大的人力、物力。生物传感器研究已经成为学科的前沿。
“我现在所做的工作就和在国外做博士后时的研究方向一致，当时我刚回到国内，就很幸运地得到国家自然科学基金的支持，使我能在这一方向上继续进行研究。”樊春海说。
2000年，樊春海在南京大学取得博士学位后，到加州大学做博士后研究，师从 Alan J.Heeger教授（2000年诺贝尔化学奖得主）进行生物传感器与生物芯片、生物电子传递、生物电化学与生物光谱方面的研究。2004年，他成为中国科学院“百人计划”入选者，回到中科院上海应用物理研究所工作。当年，他就申请到了一个基金项目。这让他很高兴，因为钱虽然不多，但能“起到启动作用”。2005年，他又参与了一个重点项目。他觉得能得到国家自然科学基金，是自己研究得到一定的认可。
“我的本行是做生物传感器的，做过PCR也做其他的检测方式。做一些高灵敏度、便捷实用的传感器是我们一直追求的目标，这一工作只是其中的一步。现在虽然还只是基础研究阶段，但估计三至五年内，我们会看到产品。”樊春海说，“现在高端的PCR检测仪器还依赖进口，我们现在国内也对仪器设备和实验器材的国产化率比较重视，我们也希望在这方面做出点工作。正是在国家自然科学基金的支持下，我们才能在较短时间内做出成果，为应用技术提供理论支持。”
加载中，请稍候......
加载中…
(2014-09-16 06:14:08)