《Talanta》：Emerging strategies for food contaminant detection via DNAzyme-driven DNA walker platforms: Strategies, applications, and future perspectives
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DNAzyme驱动的DNA行走器是一种新型可编程纳米检测系统，通过催化切割实现信号放大，适用于快速、灵敏且便携的食品安全检测，可有效识别重金属、农药残留等有害物质，但存在信号稳定性及现场适用性挑战，未来需开发更稳定、低成本的系统。
阿卜杜勒加迪尔·阿尔图姆（Abdelgadir Altoum）|阿马尔·亚西尔·艾哈迈德（Ammar Yasir Ahmed）|扎因布·A·塔利布（Zainb A. Talib）|I.B. 萨帕耶夫（I.B. Sapaev）|穆罕默德·沙希德·伊克巴尔（Muhammad Shahid Iqbal）|阿希什·辛格·乔汉（Ashish Singh Chauhan）|雷努·夏尔玛（Renu Sharma）|拉贾什里·帕尼格拉希（Rajashree Panigrahi）|维马尔·阿罗拉（Vimal Arora）|安基特·奥扎（Ankit Oza）
阿联酋阿吉曼海湾医科大学健康科学学院医学实验室科学系
摘要
DNA行走器是一种可编程的动态DNA纳米机器，由合成寡核苷酸组成，能够通过链置换或催化切割反应在特定的核酸轨道上以受控方式移动。在用于驱动它们的各种方法中，DNA酶驱动的DNA行走器受到了越来越多的关注，因为它们结合了类似酶的催化功能与DNA材料的固有优势。DNA酶是单链DNA分子，在金属离子辅因子的存在下能够精确切割DNA或RNA底物。它们具有高稳定性、可重复性、低成本和易于化学修饰等优点。这些特性使DNA酶特别适合作为基于DNA行走器的传感系统中的驱动组件。近年来，DNA酶驱动的DNA行走器传感器由于其快速响应、高灵敏度和适用于便携式检测设备而成为监测食品安全的有效分析方法。本文全面概述了DNA酶驱动的DNA行走器的设计原理和机制，重点介绍了行走器的结构及其对信号放大至关重要的轨道配置。特别关注了它们在检测食品污染物方面的应用，包括有害病原体（如细菌）和毒素相关标志物，以及有毒化学污染物（如重金属离子、农药残留物和抗生素）。同时，也深入探讨了影响实际应用的主要挑战，如信号稳定性、基质干扰和现场使用的适用性。最后，提出了开发耐用、经济且适用于现场检测的DNA酶驱动DNA行走器系统的未来方向。
引言
食品安全已成为一个国际性问题，影响着经济增长、社会稳定和人类健康[1]、[2]。根据世界卫生组织（WHO）的报告，每年因摄入受污染的食物而导致的死亡人数估计为42万人。与此同时，报告的食源性疾病发病率达到了更为令人担忧的水平[3]。农业食品中存在有害元素，如重金属、兽药残留物、农药、食物过敏原、病原菌、霉菌毒素和其他化学/生物污染物，已经造成了多方面的负面影响，并给公共卫生带来了重大负担[4]。尽管中国国家卫生委员会、食品法典委员会和美国食品药品监督管理局已经为不同有害物质设定了最大限量，但由于消费者市场的不断扩大，人们对农业食品安全的担忧仍在持续。特别是随着农业食品生产的进步和全球化，食品产品的跨国传播加剧了食品相关危害的普遍性和潜在的严重后果。因此，确定最有效的检测技术以监测食品安全变得至关重要。
目前，食品污染物的分析主要采用色谱法结合质谱法（GC-MS、LC-MS/MS）、免疫测定法和原子吸收光谱法等成熟方法[5]、[6]。虽然这些方法具有很高的准确性和灵敏度，但通常需要昂贵的设备、耗时的样品制备过程、熟练的操作人员以及集中的实验室设施[7]、[8]。因此，人们越来越需要能够快速、经济且分散式地进行检测的替代方法，同时不牺牲分析性能[9]。在这方面，基于核酸的生物传感器作为传统方法的有希望的补充应运而生，特别是在需要信号放大、可编程性和精确分子识别应用中。
在核酸工程系统中，DNA分子机器作为生物分析平台中的信号转导和放大模块受到了越来越多的关注。已经探索了多种DNA纳米设备，包括DNA马达[10]、DNA镊子[11]、DNA纳米机器人[12]和DNA行走器[13]在生物传感中的应用。然而，这些系统在操作和分析用途上存在根本差异。DNA行走器的独特之处在于它们能够通过重复的分子反应连续且逐步地沿着预定路径移动。这种连续运动使得单次目标识别事件能够触发多个催化循环，从而实现难以通过静止的DNA纳米结构（如开关或镊子）实现的固有信号放大。在生物传感应用中，这种行走行为提供了多重优势，尤其是在检测食品污染物方面[14]、[15]、[16]、[17]。首先，DNA行走器将分子识别转化为一系列重复动作，使得在复杂基质中能够超灵敏地检测微量分析物。其次，通过设计特定序列可以精确控制它们的运动，从而调节方向、反应动力学和按顺序产生多个信号。第三，激活后，DNA行走器可以独立运行，无需外部设备，使其非常适合按需或便携式传感应用[18]、[19]。这些特性使得DNA行走器在信号放大方面异常有效，超出了它们作为简单结构纳米设备的角色。
DNA酶（也称为催化DNA或脱氧核酶）进一步提升了DNA行走器系统的诊断性能。DNA酶是人工设计的DNA分子，具有催化性质，能够促进包括核酸底物的连接或切割在内的生化反应[20]。这些分子通常通过体外筛选技术获得，特别是通过指数富集（SELEX）系统性地进化配体，并且可以精确设计以识别特定的辅因子，包括Hg2+、Pb2+和UO22+等金属离子以及各种小分子污染物。与蛋白质酶相比，DNA酶具有更强的可编程性、更低的生产成本和化学稳定性，因此非常适合应用于需要在复杂基质（如食品样品）中运行的生物传感平台，其中成本效益和稳健性至关重要[21]。
将DNA酶作为DNA行走器的驱动力，促进了DNA酶驱动的DNA行走器平台的发展，这种混合系统有效地结合了DNA酶的催化功能与DNA行走器的信号放大和移动能力[22]。在这些系统中，每次催化反应不仅推动行走器前进，还产生可测量的信号，从而使得从单次分析物结合事件开始就能进行多轮活动。这种机制实现了内置的信号放大，在某些食品安全应用中使检测限达到阿托摩尔级别。DNA酶驱动的DNA行走器的另一个显著优势是它们的固有可编程性。可以通过合理设计核苷酸序列来形成特定的行走行为，包括方向性、可控速度或多步骤级联。这种可编程性允许整合多个识别元素，从而在单次检测中同时检测多种分析物。这种多功能性使它们非常适合食品安全应用，其中污染物范围从生物成分到化学成分都有。
尽管最近的综述论文已经讨论了DNA酶和DNA行走器在生物传感和生物分析应用中的研究，但它们的关注点与本研究有所不同。例如，孙等人提供了关于DNA酶在生物成像、生物传感和癌症治疗方面的最新进展的全面总结[23]。然而，本综述并未深入评估特定DNA酶驱动的DNA行走器设计对分析性能的影响。刘等人[14]回顾了DNA行走器的设计原理、可编程性和常见生物传感应用，强调了它们的运动机制和信号放大方法；但他们没有评估其分析性能。王等人[17]回顾了基于DNA行走器的食品安全分析传感器的最新进展，强调了关键的检测案例。然而，他们没有系统地评估DNA酶驱动的DNA行走器作为一个独立的混合平台，也没有探讨DNA酶设计与传感性能之间的关系。王等人全面回顾了用于检测食品中有害物质的DNA酶基生物传感器，涵盖了各种类型的DNA酶和传感应用。然而，他们没有讨论DNA酶驱动的DNA行走器系统或其级联放大机制[20]。
相比之下，本综述首次全面评估了DNA酶驱动的DNA行走器系统在食品污染物检测中的传感性能，系统地将DNA酶的制备策略（包括选择方法、分子设计平台和固定化方法）与不同类别食品危害的分析结果联系起来。通过将这些混合平台置于现有的食品安全监测技术更广泛的背景下，并比较关键性能指标，本文填补了文献中的空白，并提供了以性能为中心的视角，增强了对该领域最新进展的补充。
DNA酶的制备方法
DNA酶在DNA酶驱动的DNA行走器生物传感器中充当催化中心，它们切割或连接链的能力直接控制行走器的移动和信号的产生。本节强调影响DNA酶在分析系统中有效性的关键设计因素，特别是那些用于检测食品污染物的系统[24]、[25]、[26]。基于DNA酶的传感系统的整体性能
DNA酶驱动的DNA行走器
DNA酶驱动的DNA行走器是一类重要的动态DNA纳米机器，其自主运动由DNA酶的催化活性驱动，而不是依赖蛋白质酶。与依赖于复杂级联设计和多重酶反应的传统核酸酶驱动系统不同，基于DNA酶的行走器利用具有内在催化能力的单链DNA分子，在金属离子辅因子的作用下切割特定底物。
DNA酶驱动的DNA行走器在食品安全分析中的应用
由于自主运动、快速反应动力学和可编程性，DNA酶驱动的DNA行走器已成为食品安全分析中多功能的信号转导和放大平台。关键的是，选择信号输出类型——无论是光学、电化学、电化学发光（ECL）还是比色法——在很大程度上取决于目标分析物的特性、样品基质的复杂性以及分析需求，包括灵敏度等因素
结论与展望
识别食品危害对于确保食品安全至关重要，因为它能够及时识别潜在风险并有效实施预防和控制措施。
DNA酶驱动的DNA行走器系统已成为传统实验室方法的有价值替代方案，可以有效检测各种食品污染物。这得益于DNA酶的催化效率和DNA的可编程性，这两者共同提供了成本效益和高灵敏度
CRediT作者贡献声明
雷努·夏尔玛（Renu Sharma）：撰写——原始草稿。拉贾什里·帕尼格拉希（Rajashree Panigrahi）：撰写——原始草稿。维马尔·阿罗拉（Vimal Arora）：撰写——原始草稿。安基特·奥扎（Ankit Oza）：撰写——原始草稿。阿卜杜勒加迪尔·阿尔图姆（Abdelgadir Altoum）：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、可视化、研究、概念化。阿马尔·亚西尔·艾哈迈德（Ammar Yasir Ahmed）：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、项目管理、研究、资金获取。扎因布·A·塔利布（Zainb A. Talib）：撰写——原始草稿、可视化
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
