DNA纳米步行器是一类独特的动态DNA装置,需要复杂的设计和构建。该机器展现出一种强大的能力来驱动DNA walker沿着指定的一、二或三维轨道行走。由于基于沃森-克里克规则,该机器具有独一无二机械运动、动态相互作用、信号放大的能力、可编程的信号转导能力及方向性。近年来,这类动态DNA纳米器件受到分析界的高度重视,用此构建生物传感器用于及时正确的诊断疾病,对于疾病的预防和治疗具有重要的意义。本文主要对于DNA纳米步行器的方向特性进行了基本的拓展研究,并结合链置换反应等技术以构建电致化学发光（ECL）生物传感器并实现对生物标志物的检测。具体研究内容如下:1.一个具有良好方向性、可以有序运转的三维DNA纳米步行器我们报告了一个三维（3D）DNA纳米步行器,创新地构建了一个功能化的3D DNA轨道,使得DNA walker可以有方向性的、有序的沿轨道行走。这一性能使得该机器能够为一些目标任务的信息转导编程特定的路径。该机器包括一个DNA walker的始发站（U^B+W）和一个功能化的3D DNA轨道,这轨道由大量的杂交了3个DNA stator的三角架（U^A+S）沿着一个滚环放大（RCA）生成的DNA骨架排列组装起来的。在骨架的5’端,一个特异的结构域（SD）被设计来捕获U^B+W,并在U^A的三个角固定的带有特异RNA片段的DNA stator,为DNA walker的前行铺路。在10-23 DNAzyme的驱动下,DNA walker开始通过RNA片段的自动切割从SD端向另一端移动。值得注意的是,沿着3D DNA轨道纵向和横向均匀分布的DNA stator,为每个DNA walker在三维轨道上的移动铺设了特定有序的路径,避免了随机和不活跃的行走,因此纳米机器表现出良好的执行能力。这些特性使得DNA纳米步行器能够对特定的信息转导途径进行编程,从而逐步或程序化地执行某些目标任务,如特定的复合有机物合成和货物运输。我们认为,这种三维DNA纳米步行器可以丰富动态DNA纳米技术领域的概念,并可能促进新型DNA纳米机器在货物运输和复合产品合成方面的发展。2.一种具有强大负载能力的3D DNA纳米步行器,用于构建电化学发光生物传感器实现MicroRNA的灵敏检测本研究以功能化3D DNA纳米管（NT）为轨道,构建了一种有效载荷大的三维（3D）DNA纳米步行器,并将其应用于构建电化学发光（ECL）传感器以检测microRNA（miRNA）。NT由一个三角形固定单元（U^B）、一个滚环扩增（RCA）产生的主链和沿主链排列的大量的三角形架（U^A）组成。每一个具有三个角的U^A都可以固定三个有ECL活性物质（ABEI）标记的DNA-stator。因为U^A沿着长链不断组装成一个线性阵列,因此与现有的一维和二维DNA纳米步行器相比,该轨迹具有强大的有效载荷能力。此外,双重扩增策略的引入使微量的目标物（miRNA-141）转化为大量的DNA walker,该DNA walker与DNA-stator杂交,形成10-23 DNAzyme的催化域。当Mg²⁺存在时,DNA walker开始沿着3D纳米管移动并释放大量的ABEI,造成显著ECL信号强度的显著的减少以达到超灵敏检测miRNA-141,检测限为25.7 amol/L。这一策略及其在生物传感领域的应用为传感分析和临床诊断技术的发展提供了一种有效的可信号放大的3D DNA纳米步行器。3.由两种DNA酶驱动的双向1D DNA纳米步行器用于载荷释放和生物传感本文设计了一个由同一种金属离子作用的两种DNA酶驱动的目标物触发的双向1D DNA纳米分子步行器,并将其应用于构建ECL生物传感器来检测miRNA-141。该机器的轨道中间有一个用于存储两DNA walker（W1、W2）的DNA walker站（S3链）,S3两侧则分别是两条交联有Ru（bpy）₂²⁺（Ru）的stator链:S1、S2与S4、S5,分别用于W1沿着S2向左走向S1,W2沿着S4向右走向S5。此外,S3链还参与催化发夹组装的链置换反应（CHA）。随着本实验的目标检测物miRNA-141的出现,S3和发夹（HP）组成的组件进行多次链置换,同时释放W1和W2。随后W1、W2分别在8-17DNAzyme10和-23 DNAzyme驱动下向轨道两边行走,且随着镁离子在DNAzyme的特异性识别位点处进行剪切,ECL电活性物资Ru从轨道上释放掉落,从而猝灭ECL信号,借此达到对miRNA-141的检测。由于该机器有两个DNA walker分别同时向轨道两边行走,在提高了机器步行的效率的同时也解决了寻常纳米步行器运动方向单一的问题,从而拓展了DNA纳米步行器的种类。