基于DNA折纸三角形可编程自组装的分子逻辑门在核酸分子检测中的应用

本研究针对DNA纳米技术中可编程复杂结构的开发难题，创新性地将DNA折纸（DNA origami）纳米结构与分子逻辑门（YES/AND/OR gate）整合，构建了可检测肺癌相关miRNA（miRNA-155/182/197）的动态检测平台。通过设计边缘特异性杂交位点的三角形DNA折纸模块，实现了靶标驱动的层级自组装（hierarchical self-assembly），并利用原子力显微镜（AFM）实现纳米级组装验证。该技术为精准诊断和自适应纳米医学提供了新范式。

　　

在分子诊断领域，如何实现多靶标、高灵敏度的核酸检测一直是技术瓶颈。传统方法如RT-PCR虽灵敏度高，但操作繁琐且难以实现多重检测。DNA纳米技术的出现为解决这一问题提供了新思路，但现有DNA折纸结构受限于支架长度，难以构建高阶功能化架构。更关键的是，缺乏将生物识别信号转化为可编程输出的分子计算系统。

针对这些挑战，广州大学计算科学与技术研究所的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项突破性研究。他们以肺癌早期诊断标志物（miRNA-155/182/197的cDNA）为模型靶标，开发了基于三角形DNA折纸模块的动态检测平台。该研究通过边缘修饰的折纸单元模拟布尔逻辑运算，结合原子力显微成像和链置换技术，实现了从单靶标检测到多输入逻辑门控组装的跨越。

关键技术包括：1）三角形DNA折纸的退火组装与超滤纯化；2）边缘设计含11-12 nt互补序列的粘性末端；3）AFM液相成像验证组装结构；4）基于5 nt toehold的链置换实现可逆组装。研究队列采用合成靶标模拟临床样本。

检测单靶标核酸的YES逻辑门

通过两个互补边缘修饰的折纸单元，在miRNA-182 cDNA存在时自组装为菱形二聚体，AFM显示组装效率达80%。

双靶标AND逻辑门检测

三组折纸单元需同时识别miRNA-155和miRNA-182 cDNA才能形成梯形三聚体，组装效率66%，验证了逻辑特异性。

三靶标AND/OR逻辑门扩展

四组折纸单元在三种cDNA共存时形成大三角形组装体（54%效率），而OR门设计可实现单靶标触发组装，产生菱形（29%）至大三角形等多级结构。

可逆组装功能

通过toehold介导的链置换，miRNA-182连接的二聚体可在6小时内解离为单体，证实系统具有可重置性。

该研究通过模块化设计将DNA折纸的几何精确性与分子计算的逻辑性相结合，其意义在于：1）突破传统检测方法的单通道限制，实现多靶标逻辑化分析；2）AFM可视化的组装输出避免了标记步骤；3）动态重组能力为自适应诊疗系统奠定基础。尽管当前依赖AFM限制了通量，但该平台为合成生物学和纳米医学提供了可编程的分子电路蓝图，未来通过集成光学编码等技术有望推动临床转化。