基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构研究进展

自然界中的手性现象广泛存在.近年来,具有在可见光波段手性光学响应特性的等离子体金属纳米结构吸引了越来越多的关注.DNA自组装技术以DNA分子为基元构筑纳米材料,具有根据实际需求精准调控并组装得到复杂纳米结构的优点,可以用来构建从静态到动态的各种手性等离子纳米结构.本文综述了基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构的研究历程和最新进展,并对相关研究做进一步展望.     

基于分子瓦自组装的DNA纳米管的制备与表征

利用DNA分子自组装技术可以构建从一维到三维不同形状的纳米结构,并且这些结构在微纳米电子学、纳米生物学等众多领域有许多潜在的用途.本文利用DNA分子瓦(tile)自组装技术,采用双交叉(DX)DNA分子瓦成功组装了一维DNA纳米管结构,聚丙烯酰胺凝胶电泳(native-PAGE)、透射电子显微镜(TEM)、荧光显微镜和原子力显微镜(AFM)对制得的DNA纳米管结构进行了表征,结果表明,组装成功的DNA纳米管直径在7～20nm之间,长度最长可以达到50μm以上.为了结构更加稳定,对分子瓦中每条DNA单链的5′末端进行磷酸化处理,自组装完成后利用T4DNA连接酶连接磷酸化修饰的DNA纳米管的缺口.AFM结果显示,使用T4DNA连接酶处理后的DNA纳米管更能保持完好的管状结构,表明连接处理后的DNA纳米管更加坚固,促进了DNA纳米管应用于微纳米领域的研究.     

自组装DNA/纳米颗粒分子逻辑计算模型

将AuNP 自组装聚合色变与DNA 计算相结合, 构建了纳米分子逻辑计算模型. 使用了DNA 自组装、DNA/AuNP 结合和AuNP 聚合色变等关键技术方法. 利用DNA 自组装结构变化,通过DNA/AuNP 聚合色变反应, 实现了简单逻辑运算功能. 在此基础上, 构建了求解简单集合运算的DNA/AuNP 计算模型, 对多重输入的简单集合运算进行了逻辑运算. 最后, 进一步拓展该分子逻辑运算模型的应用, 结合分子检测技术, 对H1N1 病毒基因进行检测.     

基于序列信息高度集成的长单链DNA自组装及制备

DNA折纸术(DNA origami)是DNA纳米自组装的一种主流方法,通常1条DNA主链在成百上千条合成的DNA短链辅助下,通过碱基互补配对原则折叠并锁定生成所设计的纳米结构.单链DNA折纸术(single-stranded DNA origami,ssDNA origami)是传统DNA折纸术的一种进化和衍生,它摒除了传统折纸术对众多短序列的需求,通过高度集成序列信息至1条长单链DNA中,实现了由1条DNA序列自组装成复杂可控的纳米结构.由于体系中不存在过量的短DNA链杂质,并且同样可以顺利移植成单链RNA折纸术,单链DNA折纸术较传统DNA折纸术可能具备更好的生物和材料应用前景.本文概括了长单链DNA自组装的研究进展,总结了几种常用的长单链DNA制备的方法,并展望了该技术的应用前景.     

磷酸根修饰的二维DNA晶体的研究

利用可编程的刚性DNA分子瓦(DNA tile)中的双交叉(double-crossover, DX)分子的自组装形成二维DNA晶体, 可将分散的具有光、电、磁性质的分子和纳米粒子单元按照Watson-Crick的碱基配对原则精确自组装, 构成分子(纳米)线路和器件. 报道了用磷酸根修饰一条DNA链的5'端脱氧胞嘧啶核苷酸后, 将此DNA链与其他的21条DNA链在一定条件下自组装, 成功合成了具有特定几何构型的二维磷酸化DNA晶体, 并探讨了二维DNA晶体生长的条件和可能的机理.     

自组装DNA链置换分子逻辑计算模型

将DNA自组装与链置换技术相结合,构建了DNA分子逻辑计算模型.通过输入DNA信号链,经特异性识别和链置换,自组装初始结构发生变化,并释放特定信号分子或结构作为输出.计算模型能通过DNA自组装结构电泳迁移率的改变输出计算结果.计算系统在室温下可自动触发、混合输入信号以及并行置换.另外,本模型中引入了单极和双极两种置换模式设计,其还具有并行信息处理和模块化组装等特点.最后经实验验证,通过输入特异性DNA分子链置换,该计算模型能正确输出逻辑计算结果.     

生物结构自组装

生物大分子、复合物分子机器、细胞器、完整细胞乃至生命个体的形成, 自组装贯穿其中, 并有极其复杂的调控机制. 本文归纳分析了生物结构自组装的特点及其物理、化学和几何学原理, 并以新生肽链折叠和染色体折叠浓缩为例描述自组装的生物调控原理. 采用自组装策略, 已经开发了许多生物纳米功能结构, 如DNA平面和立体结构、DNA马达、蛋白纳米线、荧光双分子互补系统等. 研究复杂生物体系的自组装极具挑战, 可使我们更接近生命的本质, 还将为纳米科学技术和仿生学提供许多启示.     

退火时间对二维DNA晶体自组装的影响

DNA自组装的过程,不仅需要合适的缓冲液,还需要适当的退火时间.本文利用DNA自组装技术,以反向平行双交叉(double-crossover,DX)DNA分子瓦(DNAtile)作为建筑模块,带有互补黏性末端(sticky-ends)的分子瓦依据Watson-Crick碱基互补配对原则配对连接,成功制备出二维晶体结构.比较不同退火时间下形成的DNA分子瓦结构,采用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(non-denaturing PAGE)表征.结果表明,退火时间为2.5h时形成的分子瓦的结构较稳定.等量混合此条件下形成的不同分子瓦,分别从50,37和25℃退火至室温,利用原子力显微镜(AFM)对退火后的结构进行表征,结果表明,起始退火温度为37℃时得到的DNA二维晶体较平整.     

基于DNA的自组装等离子共振纳米结构研究进展

等离子共振产生的电磁波的近场效应会使金属表面附近产生各种各样的奇特现象. DNA自组装纳米结构能够利用核酸序列的特异性识别能力,对有机分子和无机纳米颗粒进行纳米尺度的精确排布.这种自下而上的组装方法为构建等离子共振纳米结构提供了新思路,进而推动了纳米光子学的发展.本综述讨论了多种以DNA纳米结构引导的新型等离子共振纳米结构的设计和应用,并对DNA自组装等离子共振纳米结构的发展方向和应用前景进行了展望.     

设计及自组装六边形网格状DNA二维阵列

根据Watson-Crick DNA碱基互补配对原则,设计了不同黏性末端DNA序列,以两种三点星状为模块(three-point-star motif),运用DNA自组装技术,成功制备了六边形网格状DNA二维阵列.研究不同单链DNA的摩尔比例对三点星状模块结构组装的影响,以及不同起始退火温度对二维阵列自组装的影响,用凝胶电泳及原子力显微镜(AFM)对结构进行了表征.结果表明,当构成三点星状模块的3条单链摩尔比例为1:3:3时得到的模块结构更稳定,从50℃开始退火时得到的二维阵列更完整.自组装得到的二维阵列厚度约2nm,六边形边长约20nm.本研究为进一步探究三点星模块组装二维阵列的机理提供了新的思路.     

DNA水凝胶分子设计、合成与应用

DNA纳米技术是纳米生物技术的一个重要研究领域,近年来发展迅猛.通过理性设计和可控制备可以获得多种基于DNA纳米结构的材料.DNA水凝胶作为宏量DNA材料的重要代表备受关注,展现出很广泛的应用前景,尤其是在生物医学应用领域.本文介绍了DNA水凝胶的分子设计原理、合成方法和典型应用,重点综述近年来该领域具有代表性的研究成果.     

纳米尺度金属超分子配合物对DNA的特殊识别与功能调控新进展

配体通过靶向特殊基因,进而调节该基因所参与的生物学功能一直是生物无机化学领域十分活跃的研究课题.当前,金属配合物对DNA的结构识别以及功能调控引起了人们的高度重视,越来越多的研究表明,金属配合物能够有效地识别DNA的二级结构并影响其生物学功能.最近研究发现,一些具有纳米尺度的金属超分子配合物能够特异性识别DNA并表现出特殊的生物学效应.本文总结了纳米尺度金属超分子配合物对不同DNA二级结构的选择性识别及调控等方面的研究进展.     

光镊与DNA纳米技术在膜生物学研究中的应用

生物膜是生命活动中信号传导和物质运输的平台。近年来,多学科的交叉应用为膜蛋白介导的膜融合与分裂、囊泡形成与分泌,以及脂质代谢的调控机制等膜生物学研究带来了新的信息。例如,单分子光镊力谱方法通过精准、定量地检测蛋白与膜的相互作用,为在时空维度上理解这一生物过程的复杂调控机制提供了强有力的手段。此外,DNA纳米技术通过构建纳米尺度可编程的自组装结构,提供了可精确修饰与功能化的分子器件。经过疏水修饰的核酸纳米器件可以作用于磷脂膜或生物膜,进而对膜进行表面改性、诱导形变、控制理化参数以及跨膜通信等调控操作。该领域的进步将为细胞生物学机制研究、分泌囊泡的分析检测、人工脂质体的制备优化、新型分子载具开发以及新型药物开发提供特色的工具手段,并构建新颖的体系平台助力合成生物学、化学生物学以及分子医学的发展。     

酶的研究与生命科学(三):分子生物学酶的发现和应用

20世纪下半叶,分子生物学取得迅猛发展,分子生物学酶的发现和应用在其中发挥了巨大的推动作用。DNA聚合酶、RNA聚合酶、逆转录酶、限制性内切酶和端粒酶等的鉴定和功能阐明拓展了对许多生命现象的理解和认识。这些酶的应用还衍生出重组DNA、桑格酶法测序和聚合酶链式反应等技术,在基因操作、DNA测序和扩增等方面具有广泛应用。通过介绍分子生物学酶的研究历程展现了酶的发现和应用对当代生命科学研究仍有重要意义。     

静电纺丝制备微纳纤维的形貌表征与影响机理分析

静电纺丝作为一种广泛采用的纳米纤维制备技术,影响其纤维形貌的主要因素包括材料参数、工艺参数和环境因素等.采用聚氧化乙烯(PEO)溶液,通过研究溶液属性(分子量、质量分数、电导率)和工艺参数(工艺电压、电极间距、喷嘴内径等)对纤维形貌的影响,得出相关参数对纤维直径和形貌的作用规律.研究结果表明:当PEO质量分数由4%到8%时,图案形貌经历了球状颗粒-珠丝共存-纤维的演变过程;分子量由40万到60万时,纤维由珠丝结构变成均匀光滑的丝,进一步增大分子量,纤维开始变得粗细不均并出现锯齿结构;当电导率由151到355 s/cm时,纤维直径变粗5倍;工艺电压(25~30 kV)增加,纤维直径先增加后减小,梭形颗粒先增多后减少;电极间距(15~25 cm)的增加使PEO纤维的直径减小,梭形颗粒先增加后减少;喷嘴内径由160 m增大到600 m时,纤维先是变得均匀光滑,后出现黏并结构.这些研究结果能够更好地指导静电纺丝技术在生物医用、纳米装置及纳米制造等领域的应用.     

α-螺旋跨膜蛋白的折叠和自组装

膜蛋白参与细胞中的各项生命活动,具有复杂而特殊的生理功能,同时它也是重要的药物标靶,因此研究膜蛋白的结构及功能对于保持人类健康和治疗疾病具有重要的意义.α-螺旋跨膜蛋白是生物体内最为重要和广泛的一类膜蛋白,本文综述了α-螺旋跨膜蛋白在折叠和自组装特性上的最新研究进展,总结了跨膜过程中的两阶段模型;详细介绍了α-螺旋跨膜蛋白的跨膜性质及其跨膜的影响因素,包括跨膜序列的长度和疏水性、疏水性错配和界面锚固、极性残基和脯氨酸等;进一步总结了α-螺旋跨膜蛋白通过跨膜螺旋相互作用形成高度有序自组装体的结构基础;并介绍了研究α-螺旋跨膜蛋白折叠和自组装常用的化学和生物学方法,希望能为进一步开展该领域研究提供参考。     

基于DNA/RNA的逻辑门与逻辑运算

DNA和RNA具有精确的分子识别能力以及强大的信号存储能力. 利用DNA/RNA分子的生物学特性来构建分子级别的逻辑门并实现逻辑运算是近年来计算机科学和分子生物学交叉产生的新兴领域, 引起了研究者的广泛关注. 本文介绍了利用DNA/RNA分子的酶活性、结构特性来构建逻辑门的方法, 探讨了将单一逻辑门整合成复杂的逻辑运算的途径. 并且对于DNA/RNA逻辑门在体外检测和体内诊疗等生物医学中的应用进行了介绍, 提出了未来的发展方向.     

一种新型的荷叶仿生网架结构体系探讨

文章利用仿生学原理，借鉴王莲荷叶脉络的结构构成形式，结合钢结构仿生设计理念，提出了新型的网架结构——荷叶脉络网架结构，为基于仿生学的钢结构设计提供新的思路。     

转动分子马达：ATP合成酶

生物分子马达处在生命与纳米两学科的交叉点上,注定会成为本世纪基础研究的主角之一。ATP合成酶是最精妙的生物分子马达之一,有关它的研究尽管经历了60多年,但突破性进展出现在最近十年,部分原因是单分子技术的发展,更要归功于物理学家、生化学家及计算学家等的联合交叉研究。本文回顾了ATP合成酶研究的历程,展示了主要成果,也提出了面临的问题。