DNA生物传感器的应用展望

摘 要：DNA生物传感器是一种由特异性序列探针和信号转换器相结合而制成的分析装置,在基因杂交诊断中具有实时、易操作的特性,并且有很高的选择性和灵敏度.DNA生物传感器在生物、医药、环境监测和食品等领域都有较广泛的应用.文章介绍了DNA生物传感器的基本原理,详细评述其在基因检测中的应用,并提出了DNA生物传感器在编码基因分析中的发展前景.

关 键 词：DNA生物传感器；功能基因；应用；展望

中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1000－8136（2012）11－0003－02

1引言

DNA生物传感器与传统技术相比,具有快速、灵敏、操作简单、无污染,且具有分子识别、分离纯化基因等功能［1］.DNA生物传感器能测定DNA的浓度,识别部分碱基的排列顺序,确定微生物的种属,具有很强的特异性.它不仅能用于监测受感染微生物的核酸序列分析和微量污染物,而且还可用于污染物与DNA之间相互作用的研究,为解释污染物毒性作用机理提供了可能.

近年来,以功能基因多样性为核心的分子生态学研究迅速发展,综合运用生物信息学从功能基因角度研究环境微生物群落功能基因多样性分布与表达对了解微生物降解过程的本质具有重要意义.

2DNA生物传感器的原理

与其他传感器相比,DNA生物传感器在检测生物分子方面具备更高的选择性和特异性.DNA生物传感器的分子识别元件是DNA,它通过一定的杂交反应可将目的DNA的存在转变为可检测的各种信号,从而得出被分析物的浓度［2］.其设计原理是在电极上固定一条含有十几到上千条核苷酸的单链DNA,通过DNA分子杂交,对另一条含有互补碱基序列的DNA进行识别,结合成双链DNA.杂交反应在敏感元件上直接完成,换能器将杂交过程所产生的变化转变成电、光、声等信号,根据杂交前后这些物理信号的变化量,推断出被检测DNA的量［3］.是DNA生物传感器原理图.

3DNA生物传感器的应用

DNA生物传感器是发展最晚也是最快的一类新型传感器.

特别是随着人类基因组计划的发展以及流行性传染病学研究的深入,使DNA传感器在基因检测分析、污染物检测、微生物学等方面的研究起着越来越重要的作用.

3.1DNA生物传感器检测病原基因

细菌及病毒感染是引起人类疾病的主要原因之一.DNA生物传感器不仅可以用于病原基因检测、基因疾病诊断、DNA损伤的研究,还能分析一些药物与DNA的作用机理,进行特定药物的设计合成,从而应用于临床诊断、体外药物的筛选.

Niu［5］等将单链HIV病毒基因共价固定在修饰后的玻碳电极上,以［Co（phen）2IP］2＋为杂交指示剂,成功地检测到了HIV病毒基因.该传感器的灵敏度和选择性较高,检出限达到27pmol,线性范围为1.6×10-10～6.2×10-9M.Lin［6］等将共价结合的DNA探针固定在玻碳电极上,与互补链杂交时引起溶液中的亚蓝指示剂产生明显的电流峰值,从而对慢性骨髓性白血病病毒基因进行检测,线性范围为1.25×10-7～6.25×10-7M,检测限为5.9×10-8M.Li［7］等用一种电化学生物传感器对肝炎病毒B进行检测.将肝炎病毒B基因共价固定在玻碳电极上,用［Cu（dmp）（H2O）Cl2］作为指示剂,通过循环伏安法产生一定的电化学信号来表征目标检测物.该法操作简单,费用低廉且特异性和灵敏度较高.检测限为7.0×10-8M,线性范围为8.82×10-8～8.82×10-7M.Mikkelsen［8］等最先在电化学DNA传感器中使用Co（bpy）33＋作指示剂,通过杂交指示剂的峰电流的增加,选择性地检测到囊性纤维变性基因ΔF508,检出限达到1.8fmol.Wang等［9］用巯基取代的PNA探针固定在石英晶体振荡器（QCM）上,检测P53基因540位点G到A的突变.即使5倍过量的非互补的碱基存在时仍不干扰检测,检出限约为1μg/mL.Almadidy［10］等采用光纤DNA生物传感器选择性地检测出大肠埃希式杆菌基因片段.通过定态荧光信号强度的变化,在20s内即能将目标基因检测出来.Zezza［11］等用表面等离子共振DNA生物传感器对谷类作物中常见致病真菌Fusariumculmorum的基因片段进行了杂交检测,检测限为0.06pg/30ng小麦DNA,与传统的凝胶电泳法相比,该传感器显示出更高的灵敏度和特异性.

3.2DNA生物传感器检测有机污染物

有机污染物是当前环境中存在数量相当大也难以被生物降解的污染物之一,这些物质通过各种途径对人类及其他生物产

＊本文为广西财经学院校级课题资助

生较大的危害.DNA生物传感器能简便、快速、稳定的对环境中有毒、有机分子进行实时监控,而受到广泛研究.

Pandey［12］等研究了一种DNA传感器来检测芳香族化合物.他们用固定化的双链DNA分子层作为识别元件,当目标污染物芳香化合物存在时,溴化乙锭指示剂流动注射响应信号减弱,可用来测定目标污染物.Wang［13］等利用污染物与DNA在核酸修饰碳电极表面的相互作用来检测环境中的有毒物质.他们利用双链DNA层与芳香胺之间的键合作用,设计了一种新型的亲和电化学生物传感器,用于检测芳香胺类化物,检测限达到纳摩尔量级.Schultz［14］等研制了一种新型的荧光DNA生物传感器,以其轻便、自动化且易维护等特点应用于环境监测中核酸分子杂交检测.该传感器能直接在界面进行同步荧光显示,操作简单,稳定性强且易于再生,检测限达到了16mol/μm2.

3.3DNA生物传感器检测功能基因

DNA生物传感器逐渐运用于研究功能基因在自然环境中的表达调节,以弄清微生物在环境中的真实状态及其协同降解污染物的机理,使其在微生物功能基因的检测和应用研究方面发挥着越来越大的作用.

Cleuziat［15］等用大肠杆菌中编码该酶的基因序列作制成DNA探针并与目标链进行杂交,用来检测食品中的总大肠杆菌.Milcic－Terzic［16］等从石油烃污染的土壤中分离出能降解石油、甲苯和萘的微生物,用编码芳烃功能基因的DNA链做为分子探针,来考察这些土著微生物群落代谢基因的丰度.结果表明,该石油烃污染土壤中的土著微生物富含降解芳香烃的功能基因,且该微生物的种群在不断扩大.Aitichou［17］等运用PCR－EIA和电化学基因传感器相结合检测微生物菌株中编码黄金色葡萄球菌肠毒素A和B的基因,利用辣根过氧化酶反应产生电化学信号作为检测指示,灵敏度达100%,肠毒素A和B基因的特异性分析分别为96%和98%.Tang［18］等运用电化学DNA传感器检测黄孢原毛平革菌木质素过氧化物酶功能基因,检测范围为0.6～30nM,检出限为0.03nM,并成功检测到通过PCR提取堆肥中的目标基因.Li［19］等运用电化学DNA传感器同时检测锰过氧化物酶和纤维二糖脱氢酶,检测范围分别为1×10-11～4×10-8M和1×10-10～4×10-8M,检出限分别为6.2×10-12M及3.0×10-11M,同时借助PCR技术检测出黄孢原毛平革菌中锰过氧化物酶和纤维二糖脱氢酶功能基因.

4结论与展望

DNA生物传感器以其特异性、稳定性、实时性的优势为分子生物学开辟了新的领域,为生命科学的研究提供了一种全新的方法.迄今为止,DNA生物传感器在检测人体、动植物、水、食品等介质中病原菌、病毒和降解微生物的功能基因等方面已经取得了较大的成绩.相信随着生物信息学与基因技术的发展以及人们对生物体认识地不断深入,一些关键技术（如固定化技术）的进一步完善,DNA生物传感器也将朝着微型化、自动化和商品化的方向发展.

同时,DNA生物传感器用于微生物等的功能基因的检测,

对过程控制以及条件优化将起到很好的指示作用,是DNA生物传感器一个新的发展方向,且也能从分子水平来分析微生物群落功能基因多样性的分布与表达,从而更好地了解微生物的本质.

此外,随着基因技术的发展,基因生物芯片技术将是今后DNA生物传感器发展的主要趋势.基因生物芯片具有高密度的特性,通常与丝网印刷微细加工技术紧密结合,能同时对上万个基因进行多通道、同步检测.它的研究目标是实现一个芯片对特定基因组的变化进行整体的、快速的诊断,这将在今后广泛应用于基因组结构和基因表达的研究.

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（编辑：王昕敏）