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.     

溴化乙锭的三维荧光光谱用于研究DNA构象

文献[1]中,我们考察了溴化乙锭(EB)在不同环境介质如不同类型胶束及有机溶剂(甘油)中的三维荧光光谱,本文利用EB的三维荧光光谱研究小牛胸腺DNA(CT DNA)和鲱鱼精子DNA(FS DNA)在不同条件下的构象变化.研究发现,EB的三维荧光光谱不仅可以用作指纹分析来区分CT DNA和FS DNA,而且能够有效地说明EB和DNA的作用机理,指示DNA在不同条件下的构象变化.     

DNA纳米结构仿中国地图

用DNA在纳米尺度构造了中国地图形状. 所构造的纳米结构由DNA折叠而成, 直径约150 nm, 分辨率约6 nm. 通过原子力显微镜观测到的图形与设计图形几乎完全一致. 该图形的构造方法采用了Rothemund于2006年发明的DNA折纸术. 该研究证明了DNA折纸术具有构造几乎任何复杂二维纳米级图形的能力, 为基于自下而上方法的纳米构造技术提供了新方法.     

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.     

基于生物荧光纳米颗粒的新型荧光标记方法及其在细胞识别中的应用

以荧光染料（联吡啶钌配合物）为核,二氧化硅为外壳制备了大小均匀的荧光纳米颗粒。结合纳米技术、生物技术与荧光标记技术,建立了一种基于生物荧光纳米颗粒的新型荧光标记方法。与传统的荧光标记方法比较,该方法在稳定性、灵敏度、应用范围等方面都有重要突破。应用这一新型荧光标记方法成功地识别了人外周血中SmIgG^ B淋巴细胞。     

溴乙锭荧光探针法检测三链DNA的形成

早在1957年 Davis 等就曾报道过三链核酸的存在,但当时被认为是一种人为的没有生物学意义的结构而未引起人们的重视.直到1987年 Mirkin 等在酸性溶液的质粒中发现一种 H 型三链 DNA,同年 Dervan 等证实了可通过将第三股 DNA 粘接到含有真实基因的天然 DNA 上形成三链 DNA,才引起人们的广泛关注.目前已经发现,通过三链 DNA 的形成,寡聚核酸可以充当切割 DNA 的“分子剪刀”和提供抑制基因转录的新手段、并可能在发展治疗病毒性疾病(如爱滋病、癌症等)的新型药物等方面具有潜在的应用.鉴于这些原因,发展一种灵敏度较高的有效检测三链 DNA 形成的方法是十分有意义的.溴乙锭(以下     

利用荧光偏振研究二价金属离子对DNA与组蛋白结合的影响

利用荧光偏振实验我们研究了二价金属离子(Mn²⁺, Mg²⁺和Ca²⁺)对DNA与组蛋白结合的影响. 测量了二价金属离子(Mn²⁺, Mg²⁺和Ca²⁺)存在时, DNA和DNA-组蛋白的荧光偏振度. 结果表明, 组蛋白明显降低DNA分子的荧光偏振度; 二价金属离子显著增加DNA分子的荧光偏振度. 与DNA和组蛋白单独培育时相比较, 当二价金属离子、组蛋白、DNA共同培育时, DNA可与更多的组蛋白结合. Mn2+比其他二价离子(Mg²⁺和Ca²⁺)更容易使DNA-组蛋白复合体发生凝聚现象.     

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.     

以溴化乙锭为荧光探针研究二氯二茂钛与DNA作用方式

自1979年K(?)pf等发现二氯二茂钛(Cp_2TiCl_2,TDC)的抗癌活性以来,金属茂类配合物抗癌作用的研究成为继顺铂之后该领域中最为活跃的前沿课题之一,TDC具有抗癌谱广、药效高、毒性远低于顺铂的突出优点,已于1992年在德国进入临床研究.生物学实验表明,DNA是TDC在细胞内的主要靶分子,但TDC与DNA的作用方式仍是未知的.McLaughlin等的研究表明,TDC可与DNA作用形成Cp_2Ti-DNA及CpTi-DNA复合物,文献[4,5]通过研究TDC与单核苷酸及DNA的作用,提出了TDC与DNA发生不可逆共价结合的作用模式.本文以荧光探针技术研究了TDC与DNA的结合方式及其对DNA二级结构的影响.     

基于DNA纳米结构的siRNA输送体系的研究进展

随着多个功能性核酸药物获得FDA的批准,基因治疗近年来取得了长足的进步,迸发了新的青春.小干扰核糖核酸(siRNA)是基因治疗的核心成员,siRNA的高效递送则是其临床转化的关键.不同于传统阳离子脂质体、聚合物等通过静电相互作用实现siRNA的负载压缩形成纳米递送体系,DNA纳米结构通过核酸亲和杂化作用负载功能性核酸,实现siRNA的递送和相应的基因治疗.本文简要回顾了siRNA在基因沉默过程中的功能和机制,介绍了DNA纳米结构作为载体用于功能性核酸递送的基本原理和优缺点,进而详述了几类具有特色的DNA纳米结构用于siRNA递送系统,最后探讨了现有技术存在的挑战,并对本领域的发展做了进一步展望.     

仿壁虎微纳米刚毛阵列的研究进展

壁虎的超级黏附力源于分布于脚趾的数十万细长刚毛和接触面间的范德华力. 仿壁虎刚毛的研制是实现机器人三维无障碍运动的关键技术之一. 近年来, 许多国内外学者致力于研制仿壁虎脚掌刚毛结构的倾斜、末端分支、膨大的微纳米黏附阵列, 以得到高黏附性能、可自由调控吸附脱附的仿壁虎脚掌, 对已有文献进行总结、比较, 并展望其进一步的发展方向.     

基于纳米操纵的DNA分子手术

手术一般是利用手术刀等工具对生物体的特定部位进行定位机械操作,包括切割、移植、缝合等."分子手术"是延用医学中对生物体外科手术的概念,只是对象不是生物体而是单个分子."分子手术"的定义为:对单个分子在纳米尺度上的操纵和改性,包括对单分子的切割、推移、卷积、分离,以及定位反应等.这意味着分子手术主要是借助某种机械对单个分子的机械操作及随之引发的化学和生化反应.     

铁掺杂氧化锌纳米悬臂阵列的拉曼光谱与发光特性研究

通过简单的热蒸发Zn-Fe-C-O混合物前躯体的方法, 合成出单晶结构的Fe掺杂氧化锌(ZnO)纳米悬臂阵列体系, 并对样品的形貌、化学成分和微观结构进行了表征. 发现所得样品的形貌为梳子状, 齿子规则地分布在主干一侧, 间距为几十纳米. XPS和拉曼光谱证明, Fe离子替代式掺入ZnO晶格(即小部分Zn被Fe取代). 室温光致发光测试发现, 随着Fe离子的掺入, 绿光激发峰有明显的红移现象, 而发射强度却急剧减弱.     

碳纳米管阵列的可控生长及应用

取向阵列结构是碳纳米管聚集体中的一种重要形式,可以通过化学气相沉积(CVD)技术可控制备,是实现碳纳米管结构与性能从微观向宏观跨越的重要桥梁.本文综述了近期碳纳米管阵列(包括水平阵列和垂直阵列)的制备技术进展,以及它们在纳电子器件、高性能纤维、功能薄膜与器件、能源存储等领域的应用现状,并对碳纳米管阵列制备与应用仍然面临的一些关键问题以及未来潜在的发展方向进行了分析和展望.     

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.     

用单分子荧光显微术与光学作图法构建水稻BAC克隆DNA的限制性物理图谱

报道一种用于荧光显微镜探测的研究DNA分子与限制性内切酶相互作用的方法。DNA分子经过改进的“分子梳”技术铺展并吸附于化学修饰过的盖玻片表现,然后运用限制性内切酶EcoRⅠ进行原位酶切反应,使DNA分子在固着状态下的反应结果与液相反应相对应,通过单分子荧光显微术直接观测并记录单个DNA分子的酶切反应结果,成功地构建了水稻BAC克隆DNA的限制性物理图谱,为单分子的动态荧光显微镜实施研究和基因组光学作图打下基础。     

二氧化钛纳米管阵列的制备、性能及传感应用研究

综述了二氧化钛纳米管尤其是在含F?电解质中应用阳极氧化法制备的高度有序二氧化钛 (TiO₂) 纳米管阵列的制作、性能及应用. 详细讨论了影响纳米管生长、纳米管尺寸和形貌的各项参数, 如电解液, pH值和电压等. 二氧化钛纳米管阵列良好的生物兼容性、大的比表面积、纳米管孔径方便可调, 以及纳米管阵列内优异的电子传输特性都使其成为气体传感和生物传感领域理想的基底材料. 以二氧化钛纳米管阵列为基底构建的氢气、氧气、湿度传感器及葡萄糖、过氧化氢生物传感器都展示了较低的检测下限, 良好的稳定性、重现性和极高的灵敏度.     

基于二维材料纳米孔的生物传感器:计算和模拟研究进展

近年来,基于纳米孔的生物传感器被广泛用于DNA、RNA和蛋白质等生物分子的检测和分析.以DNA测序为例,纳米孔测序摒弃了样本扩增和荧光标记等步骤,与传统测序技术相比,在成本、读取长度和效率等方面具有明显优势.过去10年间,拥有优异力学、电学、光学等性质的石墨烯和其他二维材料受到了纳米孔传感器领域研究人员的关注.一方面,...     

基于聚合物修饰的温度敏感金纳米通道阵列膜

通过在金纳米通道阵列膜上修饰聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)分子, 发展了一种温度敏感的纳米通道阵列膜. 以荧光素钠和水溶性量子点为探针, 考察了这种膜在不同温度下的渗透性. 结果表明, 该PNIPAm分子修饰的膜能够可逆地响应外界温度的变化, 使纳米通道的孔径大小被改变, 进而影响膜的渗透性. 当温度为25℃(<低临界溶液温度, LCST)时, 荧光探针的渗透较慢, 甚至基本上被阻止, 这是因为PNIPAm分子呈现膨胀构象使通道尺寸变小所致; 而当温度为40℃(>LCST)时, 荧光探针的渗透明显加快, 这是因为PNIPAm分子呈现紧缩构象使通道尺寸变大所致. 这种温度敏感的金纳米通道阵列膜的渗透性可以被可逆地调控, 有望用于纳米级阀门等装置.