DNA纳米自组装的研究进展及应用

DNA纳米技术是一种自下而上的分子自组装模式,由分子构造为起点基于核酸分子的物理和化学性质自发地形成稳定结构,遵循严格的核酸碱基配对原则,使得DNA被用作构建结构的材料基元而不是在活细胞中那样作为遗传信息的载体.通过合理地设计碱基链来达成精密控制的纳米级复杂结构的目的,研究人员在这个领域已经建立起诸多二维、三维的复杂纳米结构以及各种具有不同功能的分子机器,比如DNA计算机.本文总结了近年来DNA纳米自组装方面取得的最新进展,同时介绍DNA纳米自组装的几种不同组装方法,并对其相关应用进行了展望.     

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.     

封面说明

正自然界中的手性现象广泛存在.许多生物分子如氨基酸、核酸和糖等在紫外光区具有本征的光学手性.调控具有光学活性的金属纳米颗粒形成具有可设计的光学手性结构,将有利于丰富手性光学和手性结构的研究.近年来, DNA纳米技术为精确调控纳米粒子的空间排布提供了一种有效的方法,能够构建具有复杂几何结构的手性纳米结构.王强斌课题组以具有等离子体光学活性的贵金属纳米粒子为例,综述了利用DNA     

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/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.     

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.     

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.     

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.     

电位控制DNA在金电极上的分子自组装

采用氨基乙硫醇在金电极上自组装得到自组装单分子层（SAM），再利用水溶性1－乙基－3（3－二甲氨丙基）－碳化二亚胺（EDC）和N－羟基琥珀酰亚胺（NHS）活化SAM，用电位控制的方法制备了DNA共价键合修饰电极。研究了控制电位与DNA组装量的关系，并采用循环伏安、交流阻抗、俄歇电子能谱、和原子力显微镜等手段对电位控制DNA修饰电极进行了表征。结果表明，用电位控制的方法得到了共价组装的DNA修饰电极，而且在不同的电位控制条件下，DNA的自组装存在着一定的规律，即负电位对DNA的自组装产生了抑制作用，而正电位对DNA的自组装起到了促进作用，研究结果将对DNA的可控制组装具有较重要的意义，并为DNA纳米器件的研制提供了技术基础。     

基于四链DNA构建纳米结构的研究进展

除DNA双螺旋结构外,DNA分子还可以形成三链和四链等其他二级结构.近些年来人们更加关注四链DNA的研究,包括G-四链体和I-motif结构.一方面由于富G和富C序列存在于基因的重要区域并发挥重要作用;另一方面由于四链结构组装的特殊性和结构柔性,其也常用于构建DNA纳米结构.此前基于双链DNA已经构建出许多纳米结构和材料,并发展出模块组装和DNA折纸等成熟的DNA纳米结构组装方法.本文将重点介绍近些年来富G和富C长链形成的四链DNA纳米结构和以四链结构为基本组装单元构建DNA纳米结构的相关研究进展,并简要介绍四链DNA纳米结构的功能性应用及展望其未来发展方向.     

DNA与非离子表面活性剂复配体系水溶液聚集行为

自组装构建DNA的纳米复合物以提高其基因治疗效果,是目前化学、生物和医药学交叉领域的一个研究热点.本文研究了非离子表面活性剂十二烷基聚四氧乙烯醚(C_(12)EO_4)与DNA之间弱相互作用构筑的复配体系溶液聚集体,探讨了复配溶液聚集体的组装结构、相结构转变与性能.通过温度改变控制DNA与C_(12)EO_4相互作用过程,确定了复配体系溶液聚集体结构的可控转变,建立了一种可控的组装方法.研究结果对DNA与表面活性剂复配溶液聚集体的性质与结构的组装规律具有重要意义.     

四臂DNA组装成纳米网格

DNA具有可应用于纳米加工中的多态性结构，四臂DNA可以用来组装纳米网格，实验设计了静态型的四臂DNA，合成四臂DNA的同时会产生双臂和单臂的副产品，实验采用两步法提高了四臂DNA的产率，在原子力显微镜下观察到不规则的纳米网格，认为是由于四臂DNA的柔性结构引起的。     

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.     

通过自组装蛋白质二聚体的方法制备DNA离子通道传感器

<正>近些年来人工纳米孔材料的设计和开发越来越受到人们的广泛关注并且有希望应用到DNA检测中.我们报道了一个新技术利用锥形纳米孔来测定小片段的DNA.本方法利用目标DNA和与链霉亲和素结合的DNA探针自组装形成蛋白质二聚体,通过电阻脉冲法实现对二聚体的特异性检测本方法还可以通过改变自组装的对象     

手性无机纳米粒子:生物应用的新机遇

近年来,以手性生物分子和无机纳米粒子为基元构建的手性纳米结构因其具有新颖而独特的物理化学性质受到研究人员的广泛关注.手性分子与无机纳米粒子的耦合实现了手性从分子尺度向纳米尺度的跨越,将为光学和生物应用带来新的机遇.本文介绍了生物分子诱导的半导体纳米粒子的手性,系统阐述了手性无机纳米结构的构筑及光学性质,对手性纳米粒子的生物效应进行了简要介绍,并展望了手性纳米结构未来发展的前景和挑战.     

多组分手性超分子的构筑及其应用

手性与生命现象密切相关,如氨基酸、蛋白质和核酸的手性结构,以及宏观的海螺等.分子模块的不对称性堆积称为超分子手性.对超分子手性的出现、放大、转移以及反转的调控是超分子手性中几个重要的研究方向.超分子手性组装体通常由多种非共价相互作用协同驱动形成,是一类具有独特手性微环境的软物质.其中,含两种或两种以上组分的超分子组装体既可能经过协同组装作用也可能发生自分类.其存在多种组装路径,相对于单组分体系复杂得多.因此,与发展更为成熟的单组分体系相比,多组分超分子手性组装体在基础和应用方面的研究都受到了限制.然而,研究多组分中的超分子手性既可以模拟复杂的手性生物体系,也可以加深对自然界中手性起源的理解,从而进一步应用于仿生学和手性材料,具有重要的意义.因此本文主要对多组分手性超分子共组装体系的构建以及可能的应用进行了综述和总结.     

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.     

金属纳米团簇的超分子自组装及其应用

金属纳米团簇(NCs)是由几个至几千个金属原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的聚集体,其物理和化学性质具有量子尺寸依赖性.金属簇的尺寸可与电子的Ferimi波长相当,一般小于3 nm,具有异于对应体相块材的物化性质,如光学、电学、磁学、催化、手性等.基于自组装策略,将金属簇与不同类型的分子材料组装,不但可以实现金属簇的聚集诱导发光,而且还可以实现多功能的协调.结合本课题组的研究工作,本文综述了近期国内外相关研究,详细介绍了自组装对金属簇发光、组装结构的影响及金属簇组装体的应用等方面的研究进展.最后对金属簇的未来挑战和发展前景进行了展望.     

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.