#文献分享# 适配体能识别啥？除了蛋白细胞小分子，还有稀土元素、微塑料、纳米材料等

首页 ꄲ 文献分享 ꄲ #文献分享# 适配体能识别啥？除了蛋白细胞小分子，还有稀土元素、微塑料、纳米材料等

推荐语

推荐这篇文献的目的：希望启发大家思考一下适配体的未来潜力。适配体不仅可以识别蛋白质、小分子、细胞等，还可以识别金属元素（包括稀土元素、放射性同位素等）、还有血液、组织，甚至塑料管、纳米材料，真可谓无奇不有。这也是适配体的优点之一，靶标超级广泛。未来适配体的杀手级应用会不会出现在某种特殊物质的识别上？

最近推荐来自加拿大学者的文献比例很高，前面刚推荐过李应福老师的双价筛选方法（见20241225日推文），以及刘珏文老师的微塑料（20241204）等，以及昨天（20250108）Krylov S. N.教授的文章。今天这篇文章同样来自刘珏文教授课题组。

本文利用Capture-SELEX技术筛选出稀土元素的DNA 适配体，对 Sc³⁺的特异性检测表现卓越。能有效区分稀土与其他金属离子，同时还能精准辨别轻、重稀土元素，相应的检测方法有望在环境监测、资源提取等领域发挥重要作用。

今天介绍一篇最新发表在JACS上的文章Kinetic and Affinity Profiling Rare Earth Metals Using a DNA Aptamer。文章介绍了一种能特异性结合稀土离子的 DNA 适配体 Sc-1，可区分稀土元素（REEs）与其他金属离子、轻稀土与重稀土，实现了对 Sc³⁺的特异性检测。

图1. Sc-1与稀土离子结合，区分稀土与其他金属离子，同时精准辨别轻、重稀土元素

研究背景

稀土元素（REEs）：包括钪（Sc）、钇（Y）和 15 种镧系元素，化学性质相似，多为三价氧化态，在高科技行业应用广泛。但 REEs 污染引发了环境和健康问题，其检测对环境监测和提取至关重要。

分析方法：ICP - AES （电感耦合等离子体-原子发射光谱）和 ICP - MS（电感耦合等离子体-质谱法）常用于REEs 分析，但成本高、周转慢，开发低成本生物传感器用于现场检测成为研究方向。此前有研究关注 DNA 酶对金属离子的检测，但 DNA 酶依赖不可逆化学反应，适配体在分离和长期监测镧系元素方面更具优势。

研究目的

开发一种能特异性结合稀土离子的 DNA 适配体，区分稀土元素（REEs）与其他金属离子、轻稀土与重稀土，实现对 Sc³⁺的特异性检测。

研究内容

1.Sc³⁺的 DNA 适配体筛选

图2.Sc³⁺筛选实验序列比对及 Sc-1、Sc-2适配体的二级结构信息。

将含 30 个随机核苷酸的 DNA 文库与生物素化捕获链杂交，固定于链霉亲和素琼脂糖珠上，与 Sc³⁺孵育，结合的适配体经 PCR 扩增进入下一轮筛选，最后一轮 PCR 产物测序。经 SELEX 筛选得到 Sc-1 和 Sc-2 等适配体，Sc-1 在最终文库中占比 7.8%，其保守核苷酸分布于内环，中间可变区形成发夹结构。

2.ThT 荧光光谱区分 REEs 与非 REEs

图3.Sc⁺³ 与 Sc - 1 及突变体的荧光光谱、滴定曲线和 ThT 法选择性。

结合 Sc³⁺特异性：ThT 荧光测定显示 Sc-1 与 Sc³⁺结合使荧光降低约 80%，K_d为 192nM，Sc-2 也有类似荧光降低但Kd更高（896nM）。Sc-1a 突变体对 Sc³⁺无荧光响应，表明 Sc-1 与 Sc³⁺结合具有特异性，且结合与内环区域有关，Sc-1b 截断突变体与 Sc-1 荧光变化和相似。

选择性：除放射性钷（Pm）外的 REE 离子（2μM）均可使 Sc-1 荧光降低，与 Sc³⁺相似，表明 Sc-1 能结合所有 REE 离子；非 REE 金属离子（10μM）中除Cu²⁺外均未明显降低荧光，Cu²⁺引起的荧光降低归因于其强荧光猝灭特性，因此该方法可区分三价 REE 离子与其他金属离子。

环境因素影响：pH 值影响 Sc-1 与 Sc³⁺结合，pH 6 和 7 时结合最强，pH 5 或 8 时结合亲和力降低；温度方面，4°C 和 20°C 时荧光变化最高且K_d值相似，30°C 或更高温度时几乎无结合，高温下 Sc³⁺水解及熵的不利贡献可能导致结合降低。

3.动力学区分 Sc³⁺与轻重镧系离子

图4.Sc - 1 与 Sc³⁺、Tb³⁺结合动力学及 EDTA 作用下 REEs 的分组情况。

结合动力学差异：ThT 荧光动力学研究表明，Sc³⁺与 Sc-1 结合荧光降低缓慢（约 3min 达稳定），Tb³⁺结合则快得多；加入 EDTA 后，Tb³⁺样品荧光快速恢复，Sc³⁺样品荧光几乎不变，表明 Sc³⁺与适配体结合后难以被 EDTA 解离。

区分 REEs：基于 EDTA 加入后的荧光恢复情况，Sc-1 适配体可将 REEs 分为三组：第 1 组（La³⁺, Ce³⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺, and Gd³⁺）立即恢复；第 2 组(Tb³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm³⁺, Yb³⁺, Lu³⁺，and Y³⁺）恢复缓慢；第 3 组（ Sc³⁺）几乎无恢复。

4.链置换测定区分单个镧系元素

图5.检测 Sc³⁺的适配体传感器的示意图、动力学轨迹、校准曲线及对多种离子的选择性。

检测 Sc³⁺原理与性能：基于 Sc-1 适配体的链置换测定，其 5' 端延伸并标记 FAM 荧光团，与淬灭剂标记互补链杂交，Sc³⁺存在时适配体结合导致荧光增加。该系统可作为 Sc³⁺的生物传感器，检测限为 90pM，计算得到 Sc-1 与 Sc³⁺的真实K_d为 1.0nM。

区分不同 REEs：对不同金属离子响应测试表明，该适配体可结合所有 REEs 且能根据离子大小区分不同 REEs，结合亲和力在Gd3+后有明显跃升（Gd 断裂效应），与镧系离子大小、配位数及与适配体结合强度变化有关。计算得到Y³⁺, La³⁺, Nd³⁺,Tb³⁺、Lu³⁺的表观K_d和真实值K_d，显示镧系原子序数依赖的亲和力趋势，相邻镧系元素Kd差异约 2 倍，表明 DNA 可区分相邻三价镧系离子。非 REE 金属离子（包括Cu²⁺）未引起荧光增加，与 ThT 测定结果一致。

5.NMR 光谱解析 Sc³⁺结合

图6. Sc-1b 适配体与 Sc³⁺滴定过程中次黄嘌呤质子共振的 NMR 光谱。

NMR 光谱显示 Sc³⁺与 Sc-1b 适配体结合后形成新结构，含Watson-Crick和非Watson-Crick碱基对，结合比为 1:1。

6. 湖水样品中 Sc³⁺检测

图 7. (A) 用于检测湖水中的荧光结构转换信号适配体生物传感器。(B) 在湖水中存在不同浓度时，20 nM 传感器的动力学轨迹。插图：低浓度下的线性响应。

基于 Sc-1 适配体的链置换传感器可稳定、高灵敏检测湖水样品中 Sc³⁺，检测限为 0.44nM，表明该传感器在 REEs 检测中潜力巨大。

研究结论

本研究通过捕获 SELEX 法以为靶标获得并表征了 Sc-1 和 Sc-2 两种适配体，详细研究了 Sc-1。Sc-1 适配体仅对 REE 离子和有响应，对响应源于非特异性荧光猝灭。与适配体结合缓慢，加入 EDTA 后荧光几乎不增加。基于加入 EDTA 后的荧光恢复，结合适配体结合亲和力和动力学信息，可区分 REEs 与其他金属、不同类型镧系元素，实现特异性检测。

究展示了 DNA 区分相邻三价镧系离子的可能极限，该适配体可作为生物无机化学、分析生物传感器和环境化学的有用配体。