DNA堿基的序列排列承載著遺傳信息，而堿基突變或表觀遺傳修飾異常與腫瘤、遺傳病等密切相關。由于四種堿基(腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C、鳥嘌呤G)結構高度相似，在不依賴復雜測序儀的情況下實現快速、精準區分，一直是分子診斷領域的技術難點。
近日，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所研究團隊在這一方向上取得進展。他們開發出一種基于三苯胺共價有機框架納米片（TPA CONs）的熒光生物傳感器，能夠實現對不同堿基的選擇性識別，并將其應用于DNA甲基化水平的定量檢測。相關成果發表于《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)。
研究團隊通過分子模擬與實驗相結合的方式發現，該納米片表面帶有負電荷，而四種堿基的靜電勢分布存在差異，導致它們與納米片的吸附親和力依次為T > G > A > C，其中靜電相互作用貢獻了約70%的吸附能，成為選擇性識別的核心驅動力。基于這一機制，T堿基富集的DNA序列會與納米片發生較強結合，并通過光誘導電子轉移效應觸發顯著的熒光淬滅；相反，C堿基富集的序列則能保持較強的熒光信號。利用這種差異，研究團隊構建了一種無需復雜化學修飾、無需高端測序儀的單堿基分辨熒光傳感平臺。
進一步地，團隊將該技術應用于DNA甲基化定量檢測。在經典的亞硫酸氫鹽轉化處理中，未甲基化的胞嘧啶(C)會被轉化為胸腺嘧啶(T)，而甲基化的胞嘧啶保持不變。因此，通過檢測轉化后序列的熒光強度變化，即可直接反映原始樣本中的甲基化水平。在乳腺癌細胞實驗中，該方法對人雌激素受體α(ERα)基因區域甲基化的檢出限低至2.4%，能夠分辨僅相差兩個CpG位點的細微序列差異。
研究團隊還與臨床機構合作，將該平臺拓展至肝癌臨床樣本的檢測，針對EYA2基因甲基化進行分析。結果顯示，該方法能夠有效區分不同甲基化水平的樣本，檢測結果與金標準焦磷酸測序高度一致。相較于焦磷酸測序和定量甲基化特異性PCR(qMSP)，該策略無需昂貴試劑或特異性探針設計，操作更為簡便。
研究人員表示，這項工作首次利用共價有機框架材料實現了直接、無標記的堿基識別和DNA甲基化定量分析，闡明了納米片與堿基之間相互作用的分子機制。該技術不僅適用于甲基化檢測，還有望拓展至單核苷酸多態性、基因突變、插入缺失等遺傳變異分析，為開發低成本、便攜式的單分子測序和腫瘤表觀遺傳診斷芯片提供了新路徑。
該研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省前沿技術研發計劃等項目的資助。
參考資料來源：蘇州生物醫學工程技術研究所
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