自然界中，天然分子机器/纳米机器能够响应特定刺激信号，产生机械运动，释放化学信使分子，执行相应的生物功能。受天然系统的启发，研究者已制造了多种基于自组装材料的人工纳米器件，用于受控运动、生物传感和信号转导等研究。尽管构建人工纳米器件的概念已被多种方法成功验证，但生理环境中生物/化学信号分子的低浓度常常限制了人工纳米器件的高效响应和后续功能的精准调控。因此，微量信号放大体系的开发对于信息传递、信使分子与纳米器件之间的相互作用以及生物功能调节具有重大意义。

近日，国家纳米科学中心丁宝全课题组开发了一种基于DNA折纸纳米技术的人工纳米器件，用于微量生物/化学分子信号的响应放大。利用DNA折纸纳米技术，作者构建了一种DNA纳米镊子结构，镊子结构悬臂上伸出单链DNA链段，用于杂交组装表面修饰有互补单链DNA的金纳米棒，形成具有强烈手性光学信号的镊子状等离子体组装结构。该结构中的折叠链段可形成“DNA分子锁”，用于固定纳米镊子的两条悬臂，形成按照预先设计角度“闭合状态”的纳米器件。加入低浓度的特定分子作为信号输入，并利用基于链置换反应的DNA环路放大该信号后，闭合的纳米器件可被高效的触发，变为“开启状态”，纳米器件所装载的金棒的三维构型发生变化，导致其产生特定的手性光学信号输出。

图DNA纳米器件的设计构建及表征。（A）基于DNA自组装镊子的等离子体组装结构构建。（B）DNA环路放大，响应开启纳米器件。（C）透射电镜表征。（D）手性光学信号表征。

作者基于上述对DNA纳米结构序列设计、核酸适配体装载和链置换反应进行了调控，实现了对于包括DNA序列、腺苷分子、手性酪氨酸酰胺等化学小分子/生物大分子靶标的动态响应。同时，作者还发展了针对肿瘤细胞表面特定受体信号具有识别放大功能的DNA纳米器件，比传统荧光探针检测灵敏度提高1～2个数量级，在仅1000个/mL肿瘤细胞的悬液中即可实现对受体信号的检出。这种DNA纳米镊子与DNA放大环路相结合的纳米器件设计，为后续智能响应纳米系统提供了新颖的研究策略。 

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition (A DNA-based Plasmonic Nanodevice for Cascade Signal Amplification, DOI: 10.1002/anie.202114706)上。文章的第一作者是国家纳米科学中心的博士研究生刘沣嵩、副研究员李娜及特别研究助理尚颖旭，通讯作者为蒋乔(第10批会员)研究员与丁宝全研究员。该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。