近日，学校化学与生物工程学院李正平教授团队在《Science Advances》上发表重要研究性论文，研发颠覆性传感原理和信号读出模式，打破“灵敏性-成本-便捷性”三角困局。北京科技大学为该论文的唯一通讯单位，青年教师孙扬和博士生刘凯为该论文共同第一作者。
研究成果介绍
由病原体感染引起的疾病，甚至重大疫情，对人类健康形成了巨大威胁。高效的病原体核酸检测是疾病治疗、重大疫情防控必要的诊断方法。传统病原体核酸检测技术存在“灵敏性-成本-便捷性”的三角困局，实现高灵敏检测的同时难以实现低成本和便捷检测。因此，研发颠覆性传感原理和信号读出模式，打破“三角困局”，实现低成本、高灵敏和便捷的病原体检测，具有十分重要的战略价值。
USTB传感机制与传感模式
李正平团队从核酸检测信号的产生原理和读出模式进行创新，提出了“基于靶标核酸触发表界面亲疏水构象转换，通过观察液体运动状态实现病原体检测”的传感新机制，以单个玻璃管为传感平台，构建了通过肉眼观察液体在试管倒置状态下的运动情况实现核酸检测的超灵敏单管传感器(Ultra-sensitive Single Tube Biosensor, USTB)。USTB包含两种工作模式：工作模式1：若待测液中含有靶标核酸，在试管倒置状态下待测液不会从试管底部掉落而会稳稳挂在试管底部；若待测液中不含靶标核酸，在试管倒置状态下待测液从试管底部掉落（图1A）。工作模式2：若待测液中含有靶标核酸，在试管倒置状态下待测液会从试管底部掉落；若待测液中不含靶标核酸，在试管倒置状态下待测液会稳稳挂在试管底部（图1B）。
以工作模式1为例，为了构建这样一种传感器，该团队巧妙设计了一种“亲水基团—响应基团—疏水基团”结构的三段式探针。将探针的亲水基团作为近端，疏水基团作为远端，修饰在试管表面，此时试管整体对外呈疏水性，倒置试管，试管内的液体会流下来。在检测病原体DNA时，将三段式探针中间的响应基团设置为单链DNA。当待测样本中含有靶DNA时，靶DNA会被检测液中的CRISPR-Cas12a系统特异性识别，并进一步激活Cas12a蛋白的DNA外切酶活性（图1CI）。被激活的Cas12a蛋白可以降解大量的三段式探针中间的响应基团（单链DNA），使得大量的疏水基团脱离试管表面，只留下亲水基团（图1CII）。以此完成靶标核酸经CRISPR-Cas介导特异性触发试管表面由疏水性(Hydrophobic)表面向亲水性(Hydrophilic)表面的转换的微观分子事件和液体在试管倒置状态下运动状态发生转变的宏观信号传导。在检测病原体RNA时，只需将响应基团由单链DNA替换为单链RNA，将CRISPR-Cas12a系统替换为CRISPR-Cas13a系统即可。团队将该工作模式1的USTB命名为Ho to Hi USTB。对于工作模式二，只需将三段式探针的亲水基团和疏水基团位置对调，使得修饰在试管表面的三段式探针的近端为疏水基团，远端为亲水基团即可完成靶标核酸经CRISPR-Cas介导特异性触发试管表面由亲水性(Hydrophilic)表面向疏水性(Hydrophobic)表面的转换的微观分子事件和液体在试管倒置状态下运动状态发生转变的宏观信号传导。团队将该工作模式2的USTB命名为Hi to Ho USTB。
Ho to Hi USTB执行新冠病毒RNA检测的原理及结果图
如图2和图3所示，基于以上设计，通过翻转试管和肉眼观察，Ho to Hi USTB和Hi to Ho USTB即可实现在1分钟内对DNA和RNA两类核酸的简单和高灵敏检测，前者检测极限低至0.25aM (15 copies/110µL)，后者检测极限低至1aM (66 copies/110µL)。两种传感器在检测灵敏度上均优于RT-PCR/PCR商业化试剂盒并远超单纯的CRISPR-Cas技术；Ho to Hi USTB和Hi to Ho USTB的实验室成本约为0.1美元。USTBs凭借颠覆性的传感机制创新和信号读出模式创新，一举打破了传统病原体检测技术的“三角困局”。
Hi to Ho USTB执行非洲猪瘟病毒DNA检测的原理及结果图
作者简介：
李正平，北京科技大学化学与生物工程学院教授。主持教育部“新世纪优秀人才支持计划”（2006年），教育部“创新团队发展计划”（2012）及其滚动支持（2016）、国家自然科学基金重点项目（2016年和2023年）等20余项科研项目。在Sci. Adv.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Nano，ACS sens.，Chem. Sci.，Anal. Chem.等期刊发表论文195篇（阅读本文）。
（供图：化学与生物工程学院）
（责编：付云笛、薛浪）
