Programmable Lanthanide Metal–Organic Framework for Ultra-Efficient Nucleic Acids Extraction and Interaction Analysis

核酸 化学 适体 纳米材料 镧系元素 组合化学 合理设计 树枝状大分子 吸附 纳米技术 有机化学 生物化学 材料科学 离子 遗传学 生物
作者
Long Yu,Qi Xu,Yuqing Sun,Yuhao Wang,Yongling Tang,Qianqian Yuan,Shuang Peng,Gaosong Wu,Yuxiu Xiao,Xiang Zhou
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:96 (28): 11455-11462
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.4c01839
摘要

Efficient, mild, and reversible adsorption of nucleic acids onto nanomaterials represents a promising analytical approach for medical diagnosis. However, there is a scarcity of efficient and reversible nucleic acid adsorption nanomaterials. Additionally, the lack of comprehension of the molecular mechanisms governing their interactions poses significant challenges. These issues hinder the rational design and analytical applications of the nanomaterials. Herein, we propose an ultra-efficient nucleic acid affinity nanomaterial based on programmable lanthanide metal-organic frameworks (Ln-MOFs). Through experiments and density functional theory calculations, a rational design guideline for nucleic acid affinity of Ln-MOF was proposed, and a modular and flexible preparation scheme was provided. Then, Er-TPA (terephthalic acid) MOF emerged as the optimal candidate due to its pore size-independent adsorption and desorption capabilities for nucleic acids, enabling ultra-efficient adsorption (about 150% mass ratio) within 1 min. Furthermore, we elucidate the molecular-level mechanisms underlying the Ln-MOF adsorption of single- and double-stranded DNA and G4 structures. The affinity nanomaterial based on Ln-MOF exhibits robust nucleic acid extraction capability (4-fold higher than commercial reagent kits) and enables mild and reversible CRISPR/Cas9 functional regulation. This method holds significant promise for broad application in DNA/RNA liquid biopsy and gene editing, facilitating breakthroughs in analytical chemistry, pharmacy, and medical research.
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