尿素介导的超分子相互作用调控RNA:DNA杂合体折叠以增强纳米孔传感识别效率

本刊推荐：本研究创新性地利用尿素（urea）调控RNA:DNA杂合体的超分子相互作用，通过原子力显微镜（AFM）和固态纳米孔（solid-state nanopore）技术证实其可显著增强杂合体刚性（persistence length增加40%），并将线性易位事件比例从34%提升至65%。该策略无需改变纳米孔检测参数即可有效抑制核酸折叠，为低丰度RNA（如病毒RNA）的单分子识别提供了高精度、低背景噪声的新方案，在生物传感和纳米医学领域具有重要应用价值。

　　

引言

DNA和RNA纳米技术通过沃森-克里克-富兰克林碱基配对作用实现了核酸材料的可编程构建。近年来，通过小分子非共价相互作用调控核酸材料特性的策略，进一步拓展了该技术在生物工程、超分子化学和传感领域的应用前景。固态纳米孔作为一种单分子检测技术，可直接识别RNA等生物分子，其原理是通过分析分子易位时引起的电流阻断信号来解析结构信息。然而，核酸在易位过程中的折叠行为会干扰编码信息的读取，尤其对低丰度RNA靶标的快速识别造成挑战。

结果与讨论

研究团队以MS2噬菌体RNA（3569 nt）为模型，设计了特异性DNA条形码（"101"和"1111"）。通过等温化学退火法（25°C, 12 h）在5 M尿素条件下实现RNA:DNA杂合体的高效组装。值得注意的是，即使经过Amicon过滤去除游离尿素，杂合体仍保持抑制折叠的特性。纳米孔传感数据显示：尿素处理的样品线性易位事件比例达65±3%，显著高于传统热退火对照组的34±3%。通过事件平均电流值分析发现，尿素处理组电流分布更均一，印证了其构象稳定性提升。

原子力显微镜进一步揭示机制：尿素使RNA:DNA杂合体的持久长度从55±5 nm增至76±6 nm，表明超分子相互作用增强了螺旋刚性。这种效应可能源于尿素与核碱基间的堆叠/NH-π相互作用，且与离子浓度密切相关（实验采用100 mM Li⁺）。对比实验表明，该现象对RNA:DNA杂合体具有特异性，相同处理对DNA:DNA双链的持久长度及折叠行为无显著影响。

在复杂背景（人总RNA）中，10 nM MS2 RNA仍能通过尿素辅助条形码编码实现20%的识别率，证实该方法在实际样本中的适用性。此外，研究排除了孔径、电压、pH等纳米孔参数的影响，确认性能提升 solely 源于尿素对核酸本身的修饰作用。

结论

本研究突破了对尿素传统"变性剂"角色的认知，首次发现其可通过超分子相互作用增强RNA:DNA杂合体的机械刚性并抑制折叠。该策略无需复杂仪器改造即可提升纳米孔传感的信噪比，为单分子RNA检测提供了新范式。未来研究将聚焦于尿素与A型螺旋的作用机制解析，以及其它小分子（如嵌入染料、芳香类药物）对核酸力学性质的调控作用。该成果对纳米孔生物传感、病原体RNA早期诊断及核酸纳米材料设计均有重要意义。