近日，中国海洋大学海洋生物多样性与进化研究所可持续生物材料实验室在国际知名期刊Analytical Chemistry发表题为Breaking the Sensitivity–Sustainability Trade-Off in Heavy Metal Sensing: A DNA Breathing-Actuated Nanoprobe的研究论文。
图1. DNA“呼吸”驱动的金纳米棒探针循环检测汞离子示意图。如图所示，DNA末端设计了一个“陷阱”结构（T-T错配），汞离子掉进去会被DNA牢牢抓住（形成T–HgII–T），作为“吸”的环节，进而引发金纳米颗粒聚集，产生颜色信号。加热至35℃，DNA“呼”时，这个陷阱只会被“破坏”一部分，相当于把大部分汞离子放走，但陷阱里还残留着少量汞离子。这些残留下来的Hg(II)离子就像给探针留下了“记忆痕迹”，下次再有汞离子进来时，不需要那么多就能触发聚集，所以用一次，就会更灵敏一些。
海水养殖环境和养殖生物重金属污染是海水养殖业面临的威胁之一。三文鱼、牡蛎等生物体内的汞这一重金属的累积可诱使人体健康风险，并曾导致严重的公共卫生事件，尤为引人关注。但传统检测汞的纳米探针常面临“一次性探针——高灵敏”和“可循环探针——低灵敏”的困境。针对这一难题，研究团队借助DNA分子末端像呼吸一样的节律性张合运动，让金纳米颗粒在“聚集”和“分散”两种状态间自如切换。每次“呼吸”都相当于给传感器做了一次“刷新”并保留着部分“记忆”，使得下一次检测的灵敏度进一步提升，因而成功设计了一种既可以循环利用，又可以保持高灵敏度的探针。实验还验证了这一探针在检测水、三文鱼、牡蛎等食品中汞含量的适用性。基于这一工作的创新思路和应用价值，三位审稿人均给出【Significance: High, Originality: High, Broad Interest: High, Technical Quality: High】的评价。这项技术为养殖水体安全、水产品质量监测和控制提供了一种低成本、环境优化且高灵敏的新方案。
王国庆课题组聚焦基于可持续生物材料的水产致病因子检测与防控。围绕纳米界面的DNA呼吸作用，设计和开发了多种可回收、可循环使用的纳米探针[1]，并获邀在Accounts of Materials Research发表评述[2]。团队还持续拓展核酸纳米材料在海洋弧菌防控中的应用，开发了纳米探针增强型环介导等温扩增（LAMP）检测技术，实现了对鳗弧菌的快速、高灵敏检测[3]；同时，利用纳米材料高效递送外源核酸进入弧菌，实现弧菌毒力基因的靶向抑制和病害精准防控。系列创新成果发表于Advanced Science、Small等国际知名期刊[4, 5]。
中国海洋大学研究生纪迎新和沈政为该论文共同第一作者，王国庆为通讯作者，日本理化学研究所Senior Scientist宝田徹、该研究所前Chief Scientist兼东京大学教授前田瑞夫亦对论文有重要贡献。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c03092
参考文献：
[1] Wang, L.; He, Z.; Chen, Q.; Wang, G.; Liang, X.; Takarada, T.; Maeda, M. Refreshing DNA-Based Nanoprobes by Alcohol for Heavy Metal Detection: Toward Sustainable Sensing Nanomaterials. ACS Sustain. Chem. Eng. 2023, 11(9), 3611–3620.
[2] Liu, F.; He, Z.; Takarada, T.; Maeda, M.; Wang, G. DNA Breathing at the Nanointerface: Molecular Fundamentals and Nanomaterials Applications. Acc. Mater. Res. 2025, 6, 1105–1119.
[3] Liu, F.; Lu, M.; Xuan, G.; Jiang, K.; Wang, X.; Hu, Y.; Zhang, W.; Jung, J.; Shim, S.-M.; Wang, G. Nanoprobe-Enhanced Loop-Mediated Isothermal Amplification Detection of Vibrio anguillarum in Turbots (Scophthalmus maximus): Toward Advanced Fish Disease Management. Mar. Life Sci. Tech. 2026, in press.
[4] Zhang, Q.; Leng, X.; Peng, L.; Lin, H.; Xuan, G.; Zhang, W.; Mitomo, H.; Ijiro, K.; Wang, G. Streamlining Bacterial Gene Regulation via Nucleic Acid Delivery with Gold Nanoclusters. Small 2025, 21 (13), 2411723.
[5] Zhang, Q.; Lu, M.; Ou, R.; Lin, H.; Xuan, G.; Wang, X.; Xu, X.; Zhang, W.; Wang, G. Nanodot-Inspired Precise Bacterial Gene Suppression in a Smart Hydrogel Bandage for Underwater Wound Healing. Adv. Sci. 2025, 12 (13), 2415169.
