1953年，詹姆斯.沃森（James Watson）和弗朗西斯.克里克 (Francis Crick) 在卡文迪许实验室发现了DNA的双螺旋结构，从此揭开了生命遗传物质的神秘面纱，生命科学的研究也随之跨入了分子生物学时代。A-T, G-C碱基互补配对这个自然法则也被命名为沃森-克里配对。20世纪80年代，化学家发现可以利用沃森-克里配对法则，人为设计并通过DNA自组装生产稳定的如2D，3D晶格，纳米管，DNA四面体及多面体等核酸纳米结构。此外，还可以通过人工设计，生产具有催化功能的DNA分子（脱氧核酶，DNAzyme）。DNA纳米技术面世后在生物传感器、临床诊断和药物递送等多个方面都得到了广泛的应用。

Hu et al., Chemical Reviews, 2019, 6459-6506.

近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所吴庆钰团队和上海市计量测试技术研究院刘刚团队合作研发了可检测植物Pb2+的新型DNA纳米材料传感器，实现了对植物提取物中Pb2+的准确定量和快速筛查，在追踪Pb2+污染区域方面有巨大的应用潜力。相关成果以Development of a fluorescence-based DNAzyme biosensor to detect Pb2+ in tobacco leaf extracts for cleaner crop production为题发表在Journal of Cleaner Production上 (IF 9.29)。

据吴庆钰研究员介绍，铅离子（Pb2+）作为一种高毒性的重金属离子，被排放到环境中可造成土壤污染，被植物吸收后，通过食物链进入人体，严重威胁人体健康。然而，检测植物中Pb2+的传统方法往往需要昂贵的设备或繁琐的提取步骤。因此，研发特异性高、灵敏便捷、样品制备简单的Pb2+检测方法尤为迫切。但由于植物提取物中成分复杂，会严重干扰Pb2+检测，成为了阻碍快速筛查植物Pb2+的瓶颈。

该团队利用DNA纳米材料，通过沃森-克里克碱基互补配对，精确有序地构建了基于DNAzyme（脱氧核酶）和DNA四面体的Pb2+生物传感器，并对该生物传感器进行了一系列优化，从设计上实现了多个技术突破。该研究创新性地将一个DNA四面体与四个DNAzyme融合，在提升分子探针数量的同时，减少了相邻DNAzyme之间的干扰，有效提高了Pb2+的识别效率，并提升了传感器的生物稳定性，减少了植物内源DNA酶和RNA酶对传感器的酶解。与DNA四面体结合还使得该传感器具有实现在植物体内原位检测Pb2+的潜力。该传感器实现了DNAzyme在植物领域的应用创新，并突破了了快速筛查植物Pb2+的技术瓶颈，为快速跟踪Pb2+污染植物，识别Pb2+污染土壤提供了新思路。

DNA四面体由四条碱基互补配对的DNA链组成，四条链上各带有一个DNAzyme，DNAzyme链与带有rA的底物链互补配对。当Pb2+存在时，底物链rA碱基位点被切割造成底物链断裂，5'-端的FAM/Alex 488被激发荧光。

该项目和上海市计量测试技术研究院合作完成。中国农科院资化所硕士研究生薛琴琴和上海计量院郭瑞妍，闻艳丽博士为论文的共同第一作者，上海计量院刘刚研究员和中国农科院资划所吴庆钰研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到科技部重点研发项目、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程等项目资助。

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132544