近日，中国科学院上海高等研究院李江研究员带领的团队，在利用框架核酸发展荧光多维编码系统方面取得进展，研究成果以“Encoding fluorescence anisotropic barcodes with DNA frameworks”为题发表在Journal of the American Chemical Society。 

不同颜色的荧光染料可用于同时标记多种不同的生物分子或细胞，对于生物医学研究、信息存储编码/索引等方面的应用具有重要价值。但是，由于荧光染料发射光谱重叠的限制，可见光范围内可区分的荧光颜色数量通常局限于4种。荧光各向异性（FA）是一种与分子的结构与运动相关的特征，可以作为另一种维度的颜色信息（伪色），将原本无法区分的荧光分子区分开，从而扩展多色标记的多重性。然而，染料分子的FA水平往往容易受到环境中的多种因素影响，难以作为稳定的颜色标记。 

在荧光蛋白中，由肽链构成的框架可以将荧光发色团与外界环境隔离，从而稳定发色团的荧光活性。改变肽链的序列和结构，可有效地调控荧光蛋白的亮度和光稳定性。受到这一启发，该研究团队利用类似荧光蛋白的核酸框架结构，将荧光染料精确放置在了纳米框架的不同位置，从而构建了具有不同FA水平的核酸框架探针“荧光各向异性框架”（图1a）。研究发现，在复杂环境中荧光各向异性框架可以显著地提高荧光染料的FA稳定性（图1b-e）。因此，可以通过稳定的FA差别有效区分发射光谱重叠的荧光染料。更重要的是，通过调整荧光染料在核酸框架上的位置，可以确定地调控FA水平的高低（图2）。基于以上发现，该团队利用两种FA差异与两种光谱色差异的组合，构建了8种荧光各向异性条形码，并将其成功应用于微小RNA芯片检测和活细胞标记荧光成像。综上，该系统从荧光各向异性的维度拓展了传统荧光标记的多重性，在空间组学研究、DNA高维信息存储等前沿领域具有应用前景。 

该工作获得了国家重点研发计划, 国家自然科学基金, 上海市科学技术委员会的资助。 

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c04942 

图1. 核酸框架结构提高染料分子的荧光各向异性（FA）稳定性。（a）核酸框架与荧光蛋白框架的类比；（b）核酸框架探针结合目标分子前后的FA变化示意图；（c）单链DNA和核酸框架探针结合目标分子前后FA的变化。 

图2. 调整荧光染料在核酸框架上的位置实现对FA的调控。（a）核酸框架上手臂链的空间取向示意图；（b）不同长度手臂链带来的FA差异；（c）手臂链不同朝向带来的FA差异。