近日，药学院付海燕教授课题组在晶相调控无机氧化物用于高分辨生物传感机制研究方面取得重要进展。相关研究成果以题为“Crystal Phase-Driven MnO₂-DNA as Editable Artificial Messengers Enabling a Bioinspired Array for High-Resolution Biosensing”发表在化学领域国际著名期刊《ACS Nano》（IF=17.3，自然指数期刊）上。药学院博士后王硕和硕士研究生刘易为论文共同第一作者。该研究受国家自然科学基金（32530080、32502332）、中国博士后科学基金-湖北联合支持项目（2025T088HB）、国家重点研发计划（2023YFF1104002）及中央高校基本科研业务费专项资金（XTZ24029、CZQ25028）等项目资助。 

成果简介

结构相似化合物的高分辨识别对化学、生物学等交叉领域具有重要意义，然而传统阵列传感器依赖单一传感机制，灵敏度有限，难以实现与质谱技术相当的分辨能力。研究团队针对上述难题，提出晶相调控设计新范式。通过无配体一步氧化还原法合成六种晶相MnO₂，发现暴露晶面可高效吸附单链DNA（ssDNA）并易于离心分离；理论计算揭示β-MnO₂凭借高表面能、高功函数及丰富氧空位（O_vac），通过表面电位诱导氧空位填充机制捕获ssDNA磷酸骨架，形成稳定β-MnO₂-ssDNA复合物。基于此，团队按需设计三种β-MnO₂-ssDNA人工信使，利用水解酶还原产物触发MnO₂自牺牲释放Mn²⁺和ssDNA，协同激活或调控LbCas12a、TtAgo及DNase I核酸酶系统，构建3×3通路级联反应。意外发现核酸酶可在磷酸化水解酶完全老化前捕获有机磷农药（OPs），引发通路内蛋白竞争，实现跨通路累积差异化放大。受味觉系统组合编码启发，团队提出GPS（Gustatory-inspired Pathway-Signaling-Recognition）阵列，为19种结构相似OPs分配唯一数字编码，以毒死蜱（OP-19，唯一列入《斯德哥尔摩公约》的OP）为代表，实现LOD低至31 fM、线性范围跨越6个数量级的高灵敏检测，并成功应用于环境水、食品及中药材等复杂样品中的定性/定量分析及动态降解监测。

研究亮点

1. 揭示了MnO₂晶相-吸附活性的内在构效关系，阐明β-MnO₂表面电位诱导氧空位填充的DNA吸附机制。

2. 发展了无配体β-MnO₂-ssDNA可编辑人工信使，实现水解酶/核酸酶的可编程级联。

3. 提出了蛋白竞争引发的跨通路累积差异化机制，突破结构相似物分辨瓶颈

4. 构建了味觉启发的GPS阵列，赋予19种结构相似OPs唯一数字指纹

5. 实现复杂基质中有机磷农药的高分辨定性/定量检测及降解动态监测。

Scheme 1：晶相调控β-MnO₂表面电位诱导氧空位填充捕获ssDNA，构建可编辑人工信使级联水解酶/核酸酶，通过蛋白竞争实现GPS阵列对结构相似OPs的高分辨识别。

研究结论

在这项工作中，作者通过无配体一步氧化还原法合成六种晶相MnO₂，从晶相视角揭示了MnO₂-ssDNA吸附的内在机制。β-MnO₂凭借最高表面能、功函数及丰富氧空位，通过表面电位诱导氧空位填充高效捕获ssDNA，1 h内吸附量达18.72 mg/g，5000 rpm离心2 min即可完全分离。基于此，团队按需设计三种β-MnO₂-ssDNA人工信使，利用水解酶还原产物触发自牺牲释放，协同激活CRISPR/Cas12a、Argonaute及DNase系统。通过3×3通路级联反应结合随机森林算法，实现19种结构相似OPs的100%准确区分。分子对接和ITC从热力学角度证实蛋白竞争机制：核酸酶可在磷酸化水解酶老化前竞争性捕获OPs，引发跨通路累积差异化。受味觉系统启发构建的GPS阵列，以毒死蜱为模型，在环境、食品及中药材复杂基质中实现31 fM超低检测限、6个数量级线性范围的高分辨定性/定量检测，并成功监测超声降解动态过程，结果与HPLC方法一致（p ≥ 0.57）。该研究为无机氧化物-DNA相互作用机制提供新见解，建立的GPS阵列范式为结构相似化合物的高分辨生物传感提供了通用化策略。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsnano.6c05870