如何从“分析化学”视角接收大自然馈赠我们的礼物？

大自然从来都是慷慨的，毫不吝啬地赐予人类所有丰饶的的礼物：从空中翱翔的鸟儿，到穿梭云层的飞机，从海中自在的鱼儿，到潜入深海的游艇，那些大自然中的动植物，总会给科学家们带来灵感与启发。“仿生设计”，听起来似乎与我们相去甚远，但实际上却一直存在于我们的日常生活中。

让我们邀您一起欣赏那些带着自然生物灵魂的仿生设计作品吧。例如：模仿水母、墨鱼反冲原理科学家成功实现了火箭升空，通过研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼；大家众所周知的白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆，还可以通过头部的小管向敌人喷射胶粘剂。于是人们按照同样的原理制造了工作的武器—一块干胶炮弹….. 作为从事分析化学的小伙伴们，如何更好的接收大自然给我们的礼物，从而达到复制自然产物到再“生产过程”的无缝衔接呢？

自然界的 DNA 是有机生命体的遗传物质之一，是生物系统中储存和传递遗传信息的分子。由于其具有可编程性、结合特异性和可寻址性等特点，科学家们将 DNA 从其生物学背景中剥离出来，利用其序列信息来构建不同功能的纳米结构，并应用于化学、生物、医学等各个研究领域。核酸纳米结构，作为一种天然成分的纳米材料，由于具有良好的稳定性、可编程性和可设计性，因此被广泛地应用于分子机器的设计和仿生系统的构筑。

樊春海院士团队构建的各种“框架核酸”组装体

接下来，诚邀您一起指导我们小组DNA纳米传感器设计的一点小尝试。我们的研究领域为基于DNA功能核酸分子，设计组装功能纳米探针和DNA纳米机器，着眼于恶性肿瘤疾病相关生物分析研究。而现在棘手问题这些肿瘤标志物在生物样本中含量非常低，常规的分析手段灵敏度往往不能满足要求。因此迫切需要更有效的分析方法进一步提高灵敏度，以满足临床上需求。

受到大自然的启示，我们小组首先效仿“蒲公英”的结构（如下图所示），结合等温核酸扩增技术，设计多功能核酸探针，可以实现信号爆炸式扩增，成功用于病人血清蛋白质的灵敏检测。灵敏度优于传统的免疫-RCA。

其次，受自然界“电路循环”的启发，我们小组利用催化发夹自组装和杂交链反应，组成串联电路，构筑DNA-酶纳米电路，结合MOF材料构筑双色比率型荧光DNA纳米机器，成功用于血清中小RNA非侵入式检测，优于经典的PCR，有潜力进一步拓展用于当前新冠病毒RNA检测。

之后，我们组同学们受到自然界参天大树的启发，创造性构筑“树枝状”荧光DNA纳米机器用于检测乳腺癌细胞中的MirRNA 检测。具体如下，所构筑的纳米机器具有零背景和信号指数扩增的特点，显著提高了检测灵敏度，在癌细胞基因检测方面有潜在应用价值。

此外，我们组同学们受到便携式血糖仪的启发，创造性构筑基于便携式血糖仪的DNA纳米机器用于检测血清中的MirRNA 和食品中的抗生素残留。所构筑的便携式DNA纳米机器能够通过廉价、简单的便携式血糖仪对葡萄糖浓度的检测实现了对 MirRNA 和食品中的抗生素高灵敏检测。该方法所用仪器简单，无需大型检测设备，灵敏度高，选择性良好，在 POCT检测研究方面有很好的参考价值。

近期，我们组内小伙伴受到自然界中拉链结构的启发，通过核酸自组装技术，构筑了一种新型的“拉链锁钥”载运模式，成功实现对多核酸探针进行高密度高通量载运，该探针依赖癌细胞自身的酶切反应，实现探针的自助卸载，成功实现肿瘤标志物-端粒酶RNA的原位灵敏成像检测。

目前，我们正在模拟蚕茧结构，构建多重载药探针实现细胞内逐级释放和靶向细胞核给药（如下图），亲爱的小伙伴们，由此可以看出：大自然馈赠我们的礼物真的很丰厚，期待优秀的你们和我们一起继续探索大自然的奥秘，解锁更多的分析化学技能，接收更多的大自然馈赠的“礼物”。

团队成员简介

李霞**（1982-）**，聊城大学副教授，硕士研究生导师，中科院长春应用化学研究所博士，山东大学博士后，中科院上海高等研究院访问学者。研究方向：基于DNA分子的纳米功能材料设计、组装及其生物传感应用等相关研究工作。主持和参与国家重大研究计划子课题、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省高等学校科技计划、聊城重点攻关项目、聊城大学研究生教育教学改革项目。近年来，在国内外重要期刊发表SCI论文40余篇，其中在Biosensors & Bioelectronics，Chemical Communications、Sensors and Actuators B: Chemical等期刊上发表论文多篇。科研成果曾获山东省高等学校优秀成果奖二等奖、聊城大学自然科学优秀成果一等奖等奖励。曾获山东省优秀硕士论文指导教师和山东省研究生优秀研究成果指导教师。

徐树玲（1982-），山东大学博士，研究方向：开发新型表面增强拉曼光谱(SERS)基底材料与分析方法在食品安全、生物医药、公共安全、环境监测公共安全等领域中的应用, 研究成果发表于Analyst、Microchimical acta等国际期刊。

张琦（1990-），同济大学博士，研究方向：酶促自由基聚合制备水凝胶及其在组织工程的应用研究。研究成果发表在Angewandte Chemie等期刊，并被遴选为Hot Paper。

薛庆旺（1983-），聊城大学教授，硕士生导师，山东大学博士/博士后，新加坡国立大学访问学者，山东省高等学校“青创人才”团队负责人。长期从事长期从事于生命物质为对象的分析化学基础研究，以生物大分子DNA为研究主线，聚焦分子识别、信号放大以及信号输出，生物分子与细胞及其功能分子高效分析方法和生物传感，发展和建立与生命相关的分析、传感新原理、新方法。主持国家自然科学基金2项、中国博士后科学基金2项、山东省自然科学基金1项、山东省高等学校“青创人才引育”计划项目1项，在国内外重要学术期刊Anal. Chem., Chem. Commun., Biosens. Bioelectron.，Food Chem.等杂志上发表SCI论文50 余篇，第一完成人获山东高等学校优秀科研成果二等奖和三等奖各1项、聊城大学优秀科研成果一等奖3项，受邀为国内外十几个杂志审稿人，兼任《分析试验室》、《Journal of Analysis and Testing》青年编委。