DNA是一种重要的生命分子,不仅在体内承担遗传信息载体的作用,而且在体外纳米结构组装方面也展示出独特的优势。伴随着自组装技术和电化学方法的发展,DNA分子的电极界面行为得到了更为深入的研究,电极表面组装DNA分子也进一步被应用于在生物医学的多个方面。在本论文中,我们从分子智能系统开发和生物传感系统设计两方面入手,基于DNA在电极表面的组装,构建了一系列生物医学分子装置,并将其应用于逻辑门构建、核酶活性的界面展示、可控分子释放以及核酸、蛋白、小分子检测。1.六种DNA逻辑门的构建逻辑门是通过输入信号决定输出信号来实现逻辑运算的物理装置。在本项工作中,我们基于四连体和电化学方法设计了六种DNA逻辑门,其中包括一套能产生全部逻辑功能的基础逻辑门和两个更为复杂的“implication”门和“inhibit”门。鸟嘌呤四连体的构象会受到某些离子和热变性的影响,而血红素作为一种具有电化学活性的分子,能够高亲和性和高特异性地与四连体结合,形成四连体血红素复合物,并能够产生电化学响应。利用这些原理,作者构建了六个电化学逻辑门,并依靠它们的逻辑关系,把它们整合在一个逻辑网络中。由于整个网络具有相对完整、统一和可逆的特点,这项工作为分子尺度上逻辑系统用于实际的分子计算提供了新的视野。2.三种锤头核酶的构建核酶是能够催化特殊生物化学反应的RNA分子。在至今为止被分离出的全部核酶中,锤头核酶是具有核苷酸剪切活性的最小成员。在本项工作中,我们首次在电极表面成功地构建了三种锤头核酶,分别是完整锤头核酶、RNA-RNA杂交型锤头核酶和DNA-RNA杂交型锤头核酶,并研究了它们的核苷酸剪切行为。电化学结果表明,锤头核酶可以突破溶液的限制,在固相表面展示其镁离子诱导的自我切割活性。DNA-RNA杂交型锤头核酶还被证实具有某些其它特点。一方面,即便是把修饰在电极表面的DNA链在空气中暴露12个小时,而后构建的DNA-RNA杂交型锤头核酶依然可以保留大于80%的活性。而完整锤头核酶和RNA-RNA锤头核酶在很短的时间内就开始丧失其自我切割活力,当暴露在空气中的时间达到1.5小时,这两种核酶几乎完全失活。另一方面,DNA-RNA杂交型锤头核酶可以反复多次展示其自我切割活性,这使得DNA与RNA杂交的构建策略成为一种新的在表面研究核酶的模式。因此,这项工作不但拓展了核酶的构建方式,而且进一步为将核酶构建在固相介质上提供了帮助。3.具有分子组装、转移和释放功能的DNA纳米器件的构建在本项工作中,我们构建了一种新型的限制在电极表面的DNA器件。通过将两条巧妙设计的DNA单链顺序自组装到电极表面,构成的DNA器件在pH值的调控下能够展示出三种状态(“双链状态”、“单链状态”和“i-motif三链状态”)。而且在pH值单向改变的情况下,被整合在这一 DNA器件中的多个DNA结构区域可以经历顺序协调的状态形变。为了充分利用这一 DNA器件构建在电极表面的优势,二茂铁分子被进一步应用到这一分子器件中。一方面,二茂铁作为一种电活性分子,可以方便的表征DNA器件的状态改变;另一方面,二茂铁还可以引入β环糊精-二茂铁主客系统,因此基于β环糊精在DNA器件不同状态时的电化学行为,使用这一 DNA器件可实现可控地定向组装、转移和释放β环糊精。此外,由于电极表面微环境的调节较溶液中更为方便,因而赋予了这一DNA器件在组装和操作过程中的可恢复性。鉴于这一 DNA器件具有的可重复性和可维修性,以及在可控分子转移和释放方面的潜在应用价值,本项工作为新型功能化分子器件的设计提供了新视角。4.DNA生物传感器的构建及其在微小RNA检测中的应用微小RNA(miRNA)含量的检测在临床诊断等方面具有极为重要的应用前景,但由于目前的检测手段缺乏时效性,导致miRNA仍不能作为有效的临床诊断标志物。在本项工作中,我们利用信号分子亚甲基蓝能够选择性插入RNA-DNA双链,设计了一种新颖的DNA电化学传感器用于检测miRNA。该传感器具有双信号放大的特点,从而保证了这一检测方法具有比较低的检测限。双重信号放大来自于两方面,一是一条RNA-DNA双链可以与多个亚甲蓝分子结合,二是这些亚甲蓝分子能够被检测体系中的辣根过氧化物酶催化产生一个极大的电信号。研究结果显示,该传感器还具有高度特异性,不仅能够有效区分单双链,而且可以区分miRNA上单个碱基的变化。更为重要的是,检测所需时间仅为30分钟左右,因此考虑到RNA容易降解的特性,该传感器适于miRNA的实际检测。5.基于功能化的氧化石墨烯构建蛋白标志物检测体系由于氧化石墨烯表面有许多活性基团且具有很大的比表面积和很好的水溶性,功能化的氧化石墨烯在电化学研究和应用上都具有广阔的应用前景。在本文中,我们利用新合成的银纳米颗粒功能化的氧化石墨烯(GO-AgNPs)构建了一种新型的蛋白检测体系。其原理是,GO-AgNPs能够与修饰在电极表面的DNA适体通过碱基的π-π键和N(或O)-Ag键发生的相互作用,而Ag的氧化溶出可产生极强的电信号,然而如果DNA适体与相应的目标蛋白首先结合,则会阻碍DNA与GO-AgNPs的相互作用,最终造成信号极大地衰减。基于以上原理,我们提出了一种高灵敏性和高选择性的人凝血酶蛋白电化学传感器。实验结果表明,该传感器对于凝血酶的线性检测范围是1-10000pM,最低检测限达0.70pM。此外,该检测体系的样品消耗量较少,几微升的样品就可以满足检测的需要。由于适体序列种类多样,这一适体传感器可以拓展到其它蛋白甚至小分子、核酸的检测。6.以DNA为模板合成的银纳米簇及其在过氧化氢检测中的应用在本项工作中,我们在金电极表面建立一个生物矿化体系,用于合成无机纳米簇。此生物矿化体系由末端修饰了巯基序列为polyC18的DNA寡聚核苷酸作为生物矿化模板,银离子作为生物矿化离子构成。电化学实验结果不仅证明了银纳米簇的形成,而且表明合成的银纳米簇具有氧化还原反应催化活性。因此,我们进一步将此生物矿化体系用于过氧化氢的检测,并获得了令人满意的检测限和线性范围。考虑到电极表面合成以DNA为模板的生物矿化过程简单,而矿化产物的氧化还原催化能力较强,催化过氧化氢分解的电信号明显,因此此项工作为过氧化氢的检测提供了新的选择。