用于生物传感的 DNA 条形码工程：设计原则、集成技术与转化应用

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Engineering DNA Barcodes for Biosensing: Design Principles, Integrated Technologies, and Translational Applications

　　

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  DNA条形码被重新定义为可编程的分子编码平台。
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  多维编码连接了序列设计与信号解码。
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  纳米材料和DNA纳米结构提高了多路复用条形码的读取能力。
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  集成条形码系统推动了生物传感、组学和诊断技术的发展。
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  对转化挑战和未来智能平台进行了批判性评估。

引言

全球生物多样性的快速丧失¹、反复出现的食品安全问题以及日益增长的精准医疗需求，迫切需要对生物样本进行快速、准确且标准化的识别与溯源。传统的基于形态学的方法仍然具有重要价值，但它们受到分类学分辨率不足、依赖专业知识以及对降解、加工或形态学模糊样本性能不佳等限制²。这些局限性使其难以满足当前对高精度、高效和高通量分析的要求。

因此，DNA条形码作为一种强大的分子鉴定策略应运而生。它以特定的DNA区域作为"分子身份证"，从而实现对生物体或遗传材料的标准化、可扩展的鉴定和分类。因此，DNA条形码正在重塑生物资源的记录、管理和保护方式。它还架起了基础生物学研究与实际应用之间的桥梁³。代表性应用包括生物多样性评估、非法野生动物贸易监测、食品真实性检测^{4, 5}以及疾病监测。

DNA条形码于2003年由加拿大圭尔夫大学的Paul Hebert及其同事正式提出。他们证明线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（COI）基因可以作为动物物种鉴定的标准化标记。通过分析13,320个动物物种，他们发现COI表现出显著的种间分化，平均序列分歧度为11.3%。相比之下，种内变异要低得多，范围为0%至2%⁶。这项里程碑式的研究奠定了DNA条形码的概念和方法学基础。2004年，在由阿尔弗雷德·P·斯隆基金会支持的华盛顿特区研讨会后，生命条形码联盟（CBOL）得以成立。CBOL推动了DNA条形码的标准化和全球实施。通过汇集来自50多个国家的200多个研究机构，它促进了技术指南和参考数据库的建立，包括生命条形码数据库系统（BOLD）。这些努力加速了DNA条形码在全球范围内的采用。

自诞生以来，DNA条形码已经远远超越了其最初的分类学范畴。通过与新兴技术的不断整合，它经历了多次重大的概念和技术转型（图1）。早期工作流程基于PCR扩增和Sanger测序。随后，该领域引入了下一代测序（NGS）以实现高通量数字化分析，纳米材料用于信号放大，微流控系统用于自动化和便携式检测，以及基于CRISPR的平台用于可编程和精确解码。最近，DNA条形码被应用于癌症诊断、药物筛选、单细胞分析以及其他生物医学领域。如今，它正进入一个以人工智能辅助数据解读和加速临床转化为特征的新阶段。这一轨迹凸显了DNA条形码从一种专业的分类学方法转变为一种适用于多样化生命科学研究和应用的通用技术平台。

尽管已有大量研究探讨了DNA条形码的具体应用，但对其跨学科整合、转化潜力以及与新兴技术耦合的全面分析仍然有限。因此，本综述从基本原理论及其多维应用对DNA条形码进行了考察。我们重点关注最新的技术趋势、关键挑战和未来机遇。首先，我们概述DNA条形码的概念和工程基础。然后，总结其与测序技术、纳米材料、DNA纳米结构、微流控系统和单细胞平台的整合。我们进一步讨论其在生物多样性监测、分子诊断、精准医疗、药物发现、食品和药材认证以及环境监测中的应用。最后，我们分析了当前的局限性，并提出将DNA条形码作为跨学科和转化技术发展的未来方向。

章节摘要

DNA条形码的概念框架

DNA条形码依赖于以下前提：物种间的遗传分歧通常超过种内变异。通过使用标准化的短DNA区域作为分子标识符，该方法能够在不同的分类群中实现物种水平的区分。广泛使用的条形码标记包括动物的线粒体COI基因、植物的叶绿体rbcL和matK基因位点、真菌的内部转录间隔区（ITS）以及原核生物的16S rRNA基因。典型的DNA

集成DNA条形码平台

随着分子分析对更高通量、更高分析精度、更强系统集成和特定应用场景适应性的需求日益增长，传统的DNA条形码往往不足以应对临床诊断、生物多样性监测和单细胞分析等复杂任务。为满足这些需求，DNA条形码已与下一代测序、纳米材料、DNA折纸术和其他可编程DNA

分子诊断

DNA条形码已成为现代分子诊断的重要组成部分，因为它能够为特定靶标分配可编程的分子标识符。当与扩增、测序或信号增强策略相结合时，DNA条形码能够实现低丰度分子的灵敏检测、多路复用分析和定量测量。这些特性已支持其在癌症、传染病和遗传病诊断中的应用，促进了从

生物多样性监测

DNA条形码通过为物种检测和群落分析提供标准化的分子标识符，大幅改变了生物多样性监测。传统的调查主要依赖于基于形态学的鉴定，这种方法费时费力、依赖于分类学专业知识，并且当应用于隐存种、未成熟生命阶段、受损标本或高度多样化的群落时，往往受到限制。DNA条形码通过使用标准化标记解决了这些

食品和药材认证中的应用

DNA条形码为食品真实性检测和中药材鉴定提供了一套标准化且可扩展的分子方法。食品欺诈、物种误标和中药掺假仍然是持续的全球性问题，特别是对于高度加工的产品、粉末材料和混合样本，基于形态学或物理化学方法往往鉴别能力有限。通过针对相对稳定且物种特异性的DNA

挑战与未来展望

尽管DNA条形码在分子诊断、药物筛选、生物多样性监测、空间组学及相关领域展现了巨大潜力，但若干障碍仍然限制其更广泛的开发和转化。这些障碍涉及条形码设计、检测工作流程、信号读取、数据解读、平台整合和国际标准化。未来的进展将取决于在保持DNA条形码灵敏度和通量优势的同时

结论

自2003年Paul Hebert及其同事提出以来，DNA条形码已从物种鉴定概念发展为一个广泛适用的分子框架。如今，它在生物学、医学和环境科学中的相关性日益增长。本综述总结了DNA条形码的原理、设计策略、集成平台以及主要应用。一个核心主题是其利用标准化DNA区域作为分子标识符的能力，以实现高通量且

CRediT作者贡献声明

张佳美：撰写——原稿，软件，资源，方法论，调查，正式分析，数据管理。秦思涵：验证，概念化。何雨欣：撰写——原稿，可视化，验证，方法论，数据管理。刘嘉新：调查，数据管理。袁瀚烨：可视化，数据管理。潘正辉：可视化，软件，资源。吴博跃：撰写——审稿与编辑，指导，概念化。张砚祺：撰写——审稿与

未引用参考文献

50.; 51..

资金

本研究由国家自然科学基金委员会（22404124）和天津教委研究项目（2023KJ074）资助。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本手稿中报告的工作。

张佳美|何雨欣|秦思涵|袁瀚烨|刘嘉新|潘正辉|张砚祺|吴博跃|孔德明|王晶