張洪芝 張志慶 王 芳 周 亭 王秀鳳 張國棟 劉婷婷 劉淑貞

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結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)應(yīng)用新進(jìn)展

張洪芝 張志慶*王 芳 周 亭 王秀鳳 張國棟 劉婷婷 劉淑貞

(中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院，山東 青島 266580)

DNA具有非凡的分子識別性能和顯著的結(jié)構(gòu)特征，這使得它在材料的納米級調(diào)控方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性，在許多領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文從模塊化DNA自組裝和DNA折紙術(shù)兩個方面綜述了近些年DNA納米技術(shù)，包括近年來DNA納米技術(shù)中比較新型的組裝方法；并從DNA納米結(jié)構(gòu)作為模板定位納米粒子和蛋白以及用于生物醫(yī)藥等方面介紹了DNA納米技術(shù)的應(yīng)用；同時(shí)，對DNA納米技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行了展望。

DNA納米技術(shù)；自組裝；DNA模塊；DNA折紙術(shù)；靶向給藥

1 引言

DNA作為儲存遺傳信息的載體，是人類探尋生命密碼的鑰匙。但是長久以來結(jié)構(gòu)模型的難以確定，一直困擾著人們。直到1953年，Watson和Crick1提出DNA是通過堿基互補(bǔ)配對形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一模型的提出，可謂是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，也為后來DNA納米技術(shù)2?6的發(fā)展提供了可能。

2 DNA納米技術(shù)

DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)造主要通過DNA的自組裝。自組裝7是指通過弱的和較小方向性的非共價(jià)鍵，把原子、離子連接在一起構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)，這種方法是自然界組裝高復(fù)雜度材料的主要方法。而在所有天然自組裝分子之中，DNA自組裝高復(fù)雜度的納米材料效果最顯著。利用氫鍵、堆疊、靜電和疏水性相互協(xié)同作用，驅(qū)動DNA鏈按非常精確的堿基配對規(guī)則1,8與它的互補(bǔ)鏈組裝成一個雙螺旋結(jié)構(gòu)，加上其良好的可設(shè)計(jì)性和可尋址性，使得DNA成為構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)9?11的良好原料。

2.1 DNA模塊自組裝

2.1.1 DNA自組裝成獨(dú)立納米小結(jié)構(gòu)

利用DNA的堿基互補(bǔ)配對可以制備出獨(dú)立的納米小結(jié)構(gòu)。Chen和Seeman12利用DNA單鏈組裝了一個正六面體(圖1a)，該正六面體由六條單鏈組成，將連接的DNA分子形成互連環(huán)以創(chuàng)建一個立方體狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中的每個單鏈與其四個相鄰的鏈連接兩次，因此，每個邊緣包含兩個DNA雙螺旋。Shih等13報(bào)道了一個包括六個柔性接頭和12個連接支柱的截角八面體(圖1b)。類似的，Goodman等14合成了一個具有剛性的手性DNA四面體(圖1c)，這是一個由兩條63個堿基，一條73個堿基，一條53個堿基的DNA單鏈構(gòu)成的四面體，并利用其結(jié)構(gòu)特性在其內(nèi)部包裹了蛋白質(zhì)細(xì)胞色素。

(a?c) molecular models of a DNA cube12,21, DNA octahedron13, DNA tetrahedron14; (d) DNA hexagonal ring15; (e) DNA organize Au particles into triangles and squares16; (f) Several DNA Polyhedrons17; (g) self-assembly of DNA polyhedra18; (h) Self-assembly of DNA icosahedra19.

此后，研究者們?yōu)镈NA納米結(jié)構(gòu)注入了新的元素，即有機(jī)骨架，DNA結(jié)合有機(jī)骨架便于組裝構(gòu)型的固定，且合成方法簡單易行。Aldaye和Sleiman15利用六條兩端連有DNA單鏈的有機(jī)骨架，通過端部DNA的堿基互補(bǔ)配對，合成了一個有機(jī)頂點(diǎn)的正六邊環(huán)(圖1d)。在此基礎(chǔ)之上，二人16利用同樣的原理設(shè)計(jì)了具有剛性的帶有有機(jī)頂點(diǎn)的三角形和四邊形，并用它們作為動態(tài)支架來組裝金納米顆粒；以這些剛性的環(huán)狀物為模板，將連有金納米顆粒的DNA單鏈，通過DNA配對連接，使金納米顆粒按照預(yù)期的位置精密地排列；利用DNA的成鏈和解鏈特性，實(shí)現(xiàn)“寫/擦”的結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)變(圖1e)。之后，該課題組17又利用不同形狀的等邊環(huán)狀模板結(jié)合DNA鏈組裝成三棱柱、立方體、六棱柱等(圖1f)，該辦法還構(gòu)建了第一個動態(tài)3D DNA膠囊，其大小可以在三個不同維度進(jìn)行可逆的轉(zhuǎn)換。Mao課題組18利用對稱原則，通過使用同臂構(gòu)建模塊組裝3D組裝體。他們采用三種不同類型的DNA鏈，先分步組裝成三角星形結(jié)構(gòu)的單體，然后將單體通過一鍋混合的簡單程序制備出不同的3D納米結(jié)構(gòu)。通過可靈活控制的對稱三臂結(jié)構(gòu)，合成了四面體，十二面體和一個巴基球(圖1g)。按照同樣的思路，該課題組又采用五角星模塊構(gòu)造出二十面體，以及可以作為納米容器的DNA籠子19(圖1h)。

2.1.2 基于DNA瓦片的無限自組裝

美國科學(xué)家Seeman20曾受生物重組過程的Holliday交叉結(jié)啟發(fā)，利用四條單鏈DNA構(gòu)建了一種四臂結(jié)構(gòu)11,21，并形象的將此命名為DNA“瓦片”(DNA tile)，圖2(a, b)簡單描述了Seeman最初的想法。這個DNA“瓦片”的四個臂均留有粘性末端，不同瓦片之間通過這種粘性末端相互連接，可構(gòu)成無限延伸的二維平面結(jié)構(gòu)；通過巧妙地設(shè)計(jì)帶有六個粘性末端的DNA“瓦片”，構(gòu)筑成一個三維立體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將蛋白質(zhì)分子固定到網(wǎng)絡(luò)中，利用此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)便于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解析。之后，Seeman與其同事22,23通過鏈的交換方式連接，設(shè)計(jì)出兩個雙螺旋并列DX模塊(double-crossover)(圖2c)，DX模塊的寬度可達(dá)到雙螺旋寬度，通過設(shè)計(jì)合適的粘性末端，DX模塊可成功組裝成周期性的雙鏈緊密排列的片狀DNA無限結(jié)構(gòu)24?26。DX模塊較之普通的DNA雙螺旋，其結(jié)構(gòu)剛性大大增加，因此適合于構(gòu)造具有空間復(fù)雜性的DNA納米結(jié)構(gòu)。在DX模塊的基礎(chǔ)上，研究者們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了含有三個27、四個28、六個29等不同DNA螺旋數(shù)的組裝模塊，以滿足構(gòu)建更為復(fù)雜多變的DNA納米組裝結(jié)構(gòu)的需要。

圖2 典型的DNA模塊及其組裝成的納米結(jié)構(gòu)

(a, b) Seeman’s original proposals to use immobile DNA junctions to create self-assembling arrays and self-assembled 3D DNA lattices21; (c?f) top: DNA nanostructure motifs used to create periodic 2D arrays11,22,23,30,33,34, and their corresponding AFM images.

Yan等30從最初的DNA“瓦片”和DX模塊出發(fā)，構(gòu)建了十字形“瓦片”(Four-arm junction) (圖2d)，該十字單元共用了三種長度不等的九條DNA短鏈，并以此構(gòu)建出結(jié)構(gòu)十分牢固的DNA無限網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。之后研究者們又構(gòu)建出三角形31、三角星形32、六角星形33(圖2e)等DNA模塊，并用這些基礎(chǔ)單元構(gòu)建了不同的無限網(wǎng)絡(luò)格子。為了簡化序列的設(shè)計(jì)，Mao課題組34利用十字形瓦片的四重對稱性，僅使用三條不同DNA鏈就制備出對稱的十字形“瓦片”(圖2f)。Mao將原有的九條DNA鏈簡化為三條，每種長度相同的鏈序列相同。這種中心對稱的瓦片極大地減少了所需DNA鏈的種類，極大地降低了成本和實(shí)驗(yàn)誤差。更重要的是，序列的高度對稱性確保了組裝結(jié)構(gòu)的幾何對稱性，可以有效消除在自組裝過程中產(chǎn)生的不可預(yù)測的扭曲，進(jìn)一步保證了DNA陣列的生長。

2.2 DNA折紙術(shù)

自DNA模塊的自組裝技術(shù)發(fā)展以來，涌現(xiàn)出大量獨(dú)具創(chuàng)意的模塊，研究者們在這些不同的模塊基礎(chǔ)上，構(gòu)造了豐富多彩的圖形結(jié)構(gòu)。他們共同的思路都是利用小的基本單元通過黏性末端的堿基互補(bǔ)拼接成大的圖形。然而，基于模塊的自組裝也顯現(xiàn)出共同的局限性，比如對大型結(jié)構(gòu)的可控性差，很難構(gòu)造出高復(fù)雜度和不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。直到折紙術(shù)的出現(xiàn)為傳統(tǒng)的自組裝帶來了新的生機(jī)，從此自組裝技術(shù)步入折紙的新篇章。

2.2.1 經(jīng)典的DNA折紙術(shù)

2006年Rothemund35首次提出DNA折紙術(shù)，這是一種不同于傳統(tǒng)自組裝(自下而上的組裝)方法36,37。設(shè)計(jì)思路是將一條長度為7429個(M13mp18噬菌體DNA)堿基的DNA作為腳手架鏈來回折疊，并利用200多條訂書釘鏈將形狀固定。成功得到了正方形、矩形、五角星、笑臉和三角形等結(jié)構(gòu)(圖3a)。實(shí)驗(yàn)過程免除了過度的純化帶來的繁瑣，也不需要極其精確的濃度配比，使實(shí)驗(yàn)過程變得十分簡便，而且產(chǎn)量有的高達(dá)90%，充分證明了折紙方案的可行性和優(yōu)越性。隨后形式多樣的折紙結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)，包括Qian等38制作的擬中國地圖和Andersen等39設(shè)計(jì)的奧胡斯大學(xué)的?；?海豚等等(圖3b,c)。設(shè)計(jì)的多樣性使得短鏈的設(shè)計(jì)變得困難，為此，研究者們開發(fā)了軟件包SARSE、Tiamat和Cadnano等軟件包，利用它可以設(shè)計(jì)出任何形狀的二維DNA折紙結(jié)構(gòu)。

隨著二維結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，三維結(jié)構(gòu)也逐漸建立起來。在海豚圖形之后，Andersen等人40又以M13mp18為腳手架鏈，將一條M13分成六個部分，每個部分單獨(dú)折疊成一個矩形，然后將他們連接起來，設(shè)計(jì)出一個3D納米盒子(42 nm × 36 nm × 36 nm)該納米盒子的蓋子可以在“DNA鑰匙”的存在下可控的實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉(圖3d)。無獨(dú)有偶，Ke與其合作者41采用類似的方法，并選擇性的加入跨面訂書釘，制備出一個立方體結(jié)構(gòu)。Douglas等人42還制備了一個六螺旋DNA納米管，這個納米管長度約為410 nm，是由6個DNA螺旋結(jié)構(gòu)通過交叉連接的方式連接起來。隨著結(jié)構(gòu)越來越多樣化，制備具有空間曲率的結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。Han等43將研究聚焦在DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，制備出三維莫比斯環(huán)應(yīng)對了這個挑戰(zhàn)(圖3e)，它是采用Routhemund的設(shè)計(jì)方法，將M13mp18結(jié)合165條短鏈，并通過使用鏈的置換得到了Kirigami-ring和Kirigami-catenane兩種圖形，這一發(fā)現(xiàn)推動了折紙技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，緊接著該課題組44又制備出空心球和花瓶折紙結(jié)構(gòu)。除了制備單分散的折紙結(jié)構(gòu)，Thomas等45還將立體的折紙結(jié)構(gòu)通過粘性末端的連接，制備出折紙纖維(圖3f)，并首次建立了利用3D DNA折紙結(jié)構(gòu)完成可切換納米顆粒自組裝的設(shè)計(jì)原則。這一策略的建立將促進(jìn)這兩個相對獨(dú)立領(lǐng)域的合并，也為自組裝膠體系統(tǒng)提供可供基礎(chǔ)研究的單分散的構(gòu)建模塊。

圖3 傳統(tǒng)方法的二維和三維DNA折紙結(jié)構(gòu)

(a) 2D smiley face and triangle shapes35; (b) Simulation of the Chinese map38; (c) The 2D origami of dolphin39; (d) The DNA box40; (e) The Kirigami-ring and Kirigami-catenane43; (f) 3D origami Cuboids and DNA origami fibrils45.

2.2.2 新型的DNA折紙術(shù)

經(jīng)過近十年的發(fā)展，DNA折紙?jiān)诙S三維結(jié)構(gòu)上都取得了很大進(jìn)展，得到的折紙結(jié)構(gòu)豐富多樣，精度控制也達(dá)到更高水平，但是由于所使用的腳手架鏈M13的堿基限制，折紙結(jié)構(gòu)的尺寸受到制約。

楊百翰大學(xué)的Pound等46利用PCR技術(shù)，制備出不同長度的DNA鏈，通過篩選不同長度的DNA來用于構(gòu)建折紙結(jié)構(gòu)，折出的該校簡稱B、Y、U三個字母(圖4a)是第一個細(xì)線分叉圖形。Wei等47另辟蹊徑，提出了一種新的不需要骨架長鏈的DNA折紙方案--單鏈瓦片(single-stranded tile，SST)，它由42個堿基的DNA鏈組成，在自組裝過程中與四個相鄰的tile連接。這種完全由短鏈組裝的折紙構(gòu)思，在圖形樣式上操控更靈活易行，可以任意人為地剪切塑造自己想要的形狀，利用該方法他們得到了各種各樣的二維圖形(圖4b)，包括0?9個阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母、金木水火土等漢字和其他圖形。樊春海課題組48又將折紙技術(shù)發(fā)展到新的高度，他們結(jié)合滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)49,50(Rolling Circle Amplification)，利用滾環(huán)擴(kuò)增產(chǎn)物的周期性特點(diǎn)，將此作為折紙的腳手架鏈DNA，結(jié)合幾個訂書釘鏈就可以完成折紙結(jié)構(gòu)。如利用三個訂書釘將一個具有96個堿基重復(fù)單元的滾環(huán)擴(kuò)增單鏈折疊成一條納米線(圖4c)，通過滾環(huán)擴(kuò)增模板鏈的周期長度來控制納米線的寬度，并使用預(yù)留的粘性末端將兩層、三層納米線連接起來，制成具有空間結(jié)構(gòu)的納米線。此外，我國南京大學(xué)肖守軍51課題組使用環(huán)狀DNA成功制備出DNA納米管(圖4d)。這種折紙方法相比于經(jīng)典的折紙術(shù)來說，極大地較少了使用訂書釘?shù)臄?shù)量，更簡化了繁瑣的序列設(shè)計(jì)。

3 DNA納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

隨著DNA納米技術(shù)的發(fā)展，DNA自組裝體結(jié)構(gòu)不斷地精密化，人們能夠制備出的組裝體復(fù)雜度也越來越高，除了關(guān)注結(jié)構(gòu)本身，人們對其應(yīng)用價(jià)值的探索也一直在深入，DNA組裝體也以其獨(dú)特的性質(zhì)在生物醫(yī)藥、復(fù)合納米材料、電子芯片等領(lǐng)域展現(xiàn)著廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 DNA納米結(jié)構(gòu)組裝納米粒子和蛋白

近年來，研究者對納米材料的可控制備取得令人鼓舞的成果52，但如何將散亂的納米粒子變成有序的納米結(jié)構(gòu)，以提供進(jìn)一步的性能特點(diǎn)，仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。DNA納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為此提供了機(jī)遇，使用DNA納米結(jié)構(gòu)為模板可以精確定位和組裝納米粒子，得到各種功能化的納米器件。例如以DNA結(jié)構(gòu)為模板組裝金屬納米粒子，使得金屬納米粒子具有分子尺寸的間隙。表面增強(qiáng)拉曼光譜結(jié)果表明，具有分子尺寸間隙的金屬粒子對耦聯(lián)于粒子間的分子的拉曼散射具有極大的增強(qiáng)效應(yīng)53?55，這種性質(zhì)被認(rèn)為是構(gòu)建新型光子器件、分子標(biāo)尺56及納米催化器件的基礎(chǔ)57,58。

Ding等59利用DNA折紙得到的三角形結(jié)構(gòu)為模板，將不同尺寸的金納米粒子精確地組裝到DNA折紙結(jié)構(gòu)表面，該結(jié)構(gòu)局部場增強(qiáng)效應(yīng)得到明顯的提高。他們首先在折紙結(jié)構(gòu)上預(yù)先設(shè)定好位點(diǎn)，然后將連有短鏈的不同尺寸的金納米粒子加入，通過金納米顆粒表面連有的短鏈和折紙位點(diǎn)堿基互補(bǔ)結(jié)合，從而將不同尺寸的納米粒子精確定位到折紙表面，得到的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)其紫外可見光譜從521 nm遷移到526 nm，說明了在組裝過程中相鄰金納米之間發(fā)生了等離子體共振耦合。Pal等60還利用類似的方法組裝單分散的銀納米粒子，得到具有可靠產(chǎn)率的銀納米粒子復(fù)合折紙結(jié)構(gòu)，包括單分散、二聚體、三聚體銀納米粒子和金銀雜交的復(fù)合折紙結(jié)構(gòu)。類似的，Weller等61以DNA折紙結(jié)構(gòu)為模板，將一個40 nm的金納米顆粒和一個40 nm的銀納米顆粒固定在DNA折紙結(jié)構(gòu)上(圖5a)，調(diào)控兩個納米粒子之間的間隙，有助于研究金銀電子間的直接耦合作用。Shen等62在長方形折紙結(jié)構(gòu)的特定位點(diǎn)延伸出捕捉鏈DNA來固定金納米顆粒，并通過折疊鏈將長方形DNA折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行卷曲粘合形成DNA管狀結(jié)構(gòu)，金納米粒子也隨之變成具有螺旋結(jié)構(gòu)的三維立體結(jié)構(gòu)(圖5b)。

圖4 新型DNA折紙術(shù)構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)

(a) Nanoalphabet “BYU”46; (b) Complex shapes designed using a molecular canvas47; (c) The nanowires made by RCA product48; (d) The nanotube made by ring DNA51.

這種三維螺旋金納米粒子組裝結(jié)構(gòu)在納米金的等離子體共振波長處具有明顯的圓二色信號。Urban等63還在直徑為120 nm的環(huán)狀的折紙結(jié)構(gòu)上鑲嵌上13 nm的金納米粒子，制備出兩個手性環(huán)(圖5c)，且這兩個手性環(huán)狀復(fù)合結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生相反的圓二色性光譜。這樣的異二聚體結(jié)構(gòu)Wang等64結(jié)合模塊DNA組裝和DNA折紙技術(shù)，設(shè)計(jì)出DNA折紙瓦片，并利用瓦片連接成有序的二維DNA陣列和DNA納米管，在二維陣列和納米管上巧妙地將金納米粒子鑲嵌在單體瓦片的中心(圖5d)，制備出具有光學(xué)性質(zhì)的超級材料。DNA不僅能夠有效地結(jié)合和固定無機(jī)離子，其高效性更令人為之一驚。Shi等65發(fā)明了一種極其高效的DNA與金納米粒子連接方法，一定條件下，DNA與金納米棒的有效連接可以在短短5 min內(nèi)完成。

圖5 DNA納米結(jié)構(gòu)組裝納米粒子

(a)DNA Origami-Based Ag?Au heterodimer61; (b) Rolling up gold nanoparticle-dressed DNA origami into chiral nanotube62; (c) Chiral DNA origami ring63; (d) programming self-assembly of DNA-origami honeycomb lattices and microscale AuNP superlattices fabricated from DNA-origami 2D lattices or tubes64; (e) Isstreptavidin bound to the bare DNA nanogrids66; (f) Periodic 2D multiprotein nanoarrays67; (g) The protein is localized in the origami structure and the mica gap68.

在納米級別精確控制生物大分子位點(diǎn)，如精密控制蛋白的位置，有助于我們對蛋白質(zhì)相互作用的認(rèn)識以及酶反應(yīng)動力學(xué)和機(jī)理的研究21。Park等66用組裝的DNA網(wǎng)格作為模板，通過在瓦片上預(yù)先綁定的生物素來有效編排和定位鏈霉親和素(圖5e)，使其有規(guī)律的在DNA組裝體上均勻排布。隨后，該課題組67還在DX模塊組裝體的二維陣列上通過血小板源性生長因子(PDGF)的適配體定位血小板源性生長因子(圖5f)。Ramakrishnan等68使用單層有序排列的DNA折紙納米結(jié)構(gòu)與云母片表面形成的空腔作為分子光刻定位蛋白質(zhì)的載體(圖5g)。通過控制緩沖液和吸附條件，暴露區(qū)域的蛋白質(zhì)覆蓋度可以從單一蛋白質(zhì)變化到緊密包裹的單層蛋白質(zhì)。為了證明該方法的多功能性，研究者們嘗試了四種不同蛋白質(zhì)。他們進(jìn)一步證明了在蛋白質(zhì)定向吸附之后，DNA折紙結(jié)構(gòu)可以脫附下來，這種性能能夠有效實(shí)現(xiàn)不同種類的蛋白質(zhì)組成分層結(jié)構(gòu)。因?yàn)槲降倪x擇性是通過蛋白質(zhì)和暴露的區(qū)域之間的靜電作用實(shí)現(xiàn)，所以該方法還可以勝任其它帶電分子甚至納米顆粒的大規(guī)模圖案化。通過對有序周期性陣列的調(diào)控，可極大推動分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展。對于深入了解生物分子間地相互作用、基本規(guī)律以及實(shí)現(xiàn)仿生合成都具有重要意義。

3.2 DNA納米結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

人類醫(yī)療水平雖迅速提升，但對于癌癥的檢測和治療仍不盡如人意。檢測的時(shí)效性和靈敏性、治療的高效性以及靶向性都迫切需要提升。因此，開發(fā)有效地檢測和治療方法是人類在生物醫(yī)療面臨的重大挑戰(zhàn)。目前，一些納米顆粒69?72由于較強(qiáng)的滲透力和滯留效應(yīng)已經(jīng)被證實(shí)具有較好的抗癌和檢測作用，但是其安全性仍存在質(zhì)疑73。相比較而言，DNA作為天然分子，具有無法比擬的生物相容性，加上DNA納米技術(shù)的迅速發(fā)展，自組裝DNA納米結(jié)構(gòu)可為多種功能組件提供平臺74?76，諸如可輸送腫瘤靶向配體77，小干擾RNA(siRNA)78，小分子藥物79,80，等等。因此，DNA是開發(fā)多功能型檢測和載藥工具的良好材料。

Bhatia及其同事81制備一個DNA二十面體，類似一個膠囊(圖6a)。并利用其特有的空腔負(fù)載FITC-葡萄聚糖。相比于單純的FITC-葡萄聚糖，該負(fù)載膠囊可以被細(xì)胞特異性的內(nèi)吞，也就是說FITC-葡萄聚糖可以被這個DNA膠囊運(yùn)送到特定的受體表達(dá)細(xì)胞。更為重要的是，這個負(fù)載膠囊可以被秀麗隱桿線蟲細(xì)胞內(nèi)吞，并能反應(yīng)細(xì)胞內(nèi)的pH環(huán)境，秀麗隱桿線蟲胞內(nèi)溶酶體的大量成熟會引起pH的變化，該負(fù)載膠囊從而檢測秀麗隱桿線蟲胞內(nèi)溶酶體的成熟情況。Jiang等82合成了一種多臂DNA四面體納米結(jié)構(gòu)(TDNs) (圖6b)，并利用近紅外(NIR)熒光和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(SPECT)將該四面體用于雙模態(tài)體內(nèi)成像。研究者們發(fā)現(xiàn)TDN結(jié)構(gòu)中臂鏈的存在可以顯著增強(qiáng)它們在體外的穩(wěn)定性，使其在血清中可完整保持至少12 h。通過使用TDN上不同檢測功能的多臂結(jié)構(gòu)，可以精確地檢測功能基團(tuán)的數(shù)量，從而對癌細(xì)胞具有靶向成像能力，以此實(shí)現(xiàn)對癌細(xì)胞的靶向檢測。

圖6 DNA納米結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

(a) Schematic illustration of the formation of FD10-loaded icosahedra81; (b) Schematic design of dual-modality imaging probe based on DNA nanostructures and it for tumor-targeting, dual-modalityimaging82; (c) Concept of making Poly-Aptamer-Drug and using it to target and kill cancer cells79; (d) DNA origami and doxorubicin origami delivery system assembly80; (e) The assembly of CpG bearing DNA tetrahedron and its immunostimulatory effect95; (f) Schematic design of the DNA scaffolded adjuvant-antigen vaccine complex96.

在癌癥的治療上，化療仍然是主要手段之一，但化療藥物缺乏選擇性，副作用大，因此，研究者們將焦點(diǎn)關(guān)注在靶向傳遞藥物上83?88。在靶向性癌癥治療系統(tǒng)中，通常利用的是單價(jià)分子(例如抗體和寡核苷酸適配體)來識別靶向分子和癌癥細(xì)胞的受體89?93。這種方法仍然存在定向性差、細(xì)胞內(nèi)化的效率低等缺點(diǎn)。張志慶等79開發(fā)了一種新形式的多價(jià)適配體載藥體系(Poly-Aptamer-Drug)，通過滾環(huán)擴(kuò)增方法擴(kuò)增出具有多個適配體重復(fù)單元(圖6c)，并通過物理方法插入化學(xué)藥物，利用白血病適配體和阿霉素作為一個模型系統(tǒng)，證明多價(jià)適配體載藥體系相比于單價(jià)分子載藥體系因其較強(qiáng)的親和力，能夠高效的被細(xì)胞內(nèi)化可有效應(yīng)用于靶向治療癌癥，能夠減少化療的副作用。隨后，張志慶與其同事94又制備合成了一個多功能的多價(jià)適配體系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有特異的調(diào)節(jié)細(xì)胞表面收集信息功能，更能顯著的誘導(dǎo)目標(biāo)癌細(xì)胞的凋亡。此外，Jiang及同事80通過非共價(jià)鍵作用將阿霉素固定到三角形和管狀的DNA折紙結(jié)構(gòu)上(圖6d)，得到了一個高效的載藥體系，這種載藥體系不僅能夠有效地進(jìn)入普通的人類乳腺癌細(xì)胞，還能夠順利進(jìn)入對阿霉素產(chǎn)生抗藥性的癌癥細(xì)胞，更能夠抵制產(chǎn)生抗藥性的癌癥細(xì)胞。

除了在癌癥的診斷和治療方面具有獨(dú)特的應(yīng)用之外，DNA納米技術(shù)在免疫療法方面的應(yīng)用也逐漸引起人們的重視。上海應(yīng)用物理研究所的樊春海課題組95構(gòu)建了一種功能化的DNA四面體(圖6e)，并在上面加載了四個未甲基化CpG基元，這種納米結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和生物相容性，它可以有效地進(jìn)入活的巨噬細(xì)胞樣-RAW264.7細(xì)胞中去，有效地產(chǎn)生免疫活性。該課題組還利用滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)制備出的長鏈DNA作為折紙結(jié)構(gòu)的腳手架鏈制出納米帶，該納米帶不僅可以進(jìn)入活細(xì)胞，帶有CpG的納米帶還可以有效地被哺乳細(xì)胞內(nèi)吞47，并產(chǎn)生免疫刺激。Liu等96通過將抗原嵌入組裝的DNA四面體結(jié)構(gòu)的空腔中(圖6f)，合成一種免疫疫苗，在外部CpG的輔助作用下，這種疫苗在測試小鼠體內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈并持久的抗體反應(yīng)。

3.3 其他方面的應(yīng)用

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，對器件的要求也隨之苛刻，DNA納米技術(shù)作為新的制備納米材料的方法，在納米芯片制備方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。通過將DNA折紙術(shù)功能化，使用金屬包裹DNA，從而實(shí)現(xiàn)DNA的金屬化，獲得納米級電路，制備出納米級的金屬導(dǎo)線97,98。Ke等99,100以長方形的DNA折紙結(jié)構(gòu)為基底，制作出第一張具有探測RNA序列功能的折紙術(shù)芯片。

化學(xué)和生物反應(yīng)過程復(fù)雜，倘若能夠監(jiān)測其單分子反應(yīng)過程將會對人們推斷反應(yīng)機(jī)理帶來極大的幫助。Voigt等101發(fā)現(xiàn)在DNA折紙結(jié)構(gòu)上可檢測出單個分子的化學(xué)反應(yīng)。研究者們利用DNA折紙術(shù)的可尋址性與分子間化學(xué)鍵的合成與斷裂，成功地使某些特殊結(jié)構(gòu)能夠按人為設(shè)計(jì)的軌道“行走”。用矩形的折紙結(jié)構(gòu)作為基板，通過加入二硫蘇糖醇、四溴熒光素和炔屬烴、胺疊氮化物促進(jìn)生物素-霉親合素的斷鍵與成鍵，通過原子力顯微鏡可觀察到DNA折紙結(jié)構(gòu)表面化合物的分解和合成。這一方法為探究單分子反應(yīng)提供一大思路。

一直以來，表面化學(xué)反應(yīng)吸引了研究者們廣泛的關(guān)注。相比于同種體系來說，固體表面能為產(chǎn)物的反應(yīng)途徑產(chǎn)生諸多影響。Wang等102基于DNA納米結(jié)構(gòu)為模板來合成熒光銀納米簇，通過改變銀納米簇在DNA納米結(jié)構(gòu)上的附著位點(diǎn)不同，探究其對熒光性質(zhì)的影響。這為合成形狀控制的金屬納米結(jié)構(gòu)提供了一種簡單的方法，也探究表面化學(xué)反應(yīng)的空間效應(yīng)機(jī)制提供了新的思路。

4 結(jié)論與展望

DNA納米技術(shù)自上個世紀(jì)九十年代發(fā)展以來，從最初的簡單模塊化組裝到多樣化的折紙結(jié)構(gòu)，DNA納米技術(shù)雖然取得了巨大進(jìn)展，但仍有很多科學(xué)問題亟待解決。首先，構(gòu)造出豐富多樣的納米結(jié)構(gòu)雖已實(shí)現(xiàn)，但人們對于DNA的組裝機(jī)理仍不十分明確，組裝過程中的熱力學(xué)和動力學(xué)問題仍不清晰。正因?yàn)榻M裝機(jī)理的不明確，組裝過程中的錯配問題難以解決，也很難得到穩(wěn)定的高產(chǎn)率。因此探索組裝機(jī)理，獲取高產(chǎn)率、穩(wěn)定的組裝體是目前仍需攻克的難題。其次，DNA納米技術(shù)雖已應(yīng)用到生物醫(yī)藥、電子科學(xué)等領(lǐng)域，但DNA納米結(jié)構(gòu)高昂的制備成本制約著DNA納米技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，開發(fā)更加廉價(jià)便捷的DNA擴(kuò)增手段是需要應(yīng)對的又一挑戰(zhàn)。再次，如何開發(fā)和構(gòu)建出能夠應(yīng)對復(fù)雜的生物環(huán)境的DNA納米器件，有效地完成裝載、運(yùn)輸和卸載大分子，真正實(shí)現(xiàn)自然界中的生物馬達(dá)，從而將DNA納米器件真正被應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)上，這仍然需要研究者的進(jìn)一步探索和解決。盡管如此，DNA納米技術(shù)仍是極具潛力的發(fā)明，我們有理由相信，DNA納米技術(shù)的發(fā)展將會為人類在DNA芯片、納米器械、生物醫(yī)藥等方面帶來新的光明，也必定推動相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科的進(jìn)步。

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Application of Structural DNA Nanotechnology

ZHANG Hong-Zhi ZHANG Zhi-Qing*WANG Fang ZHOU Ting WANG Xiu-Feng ZHANG Guo-Dong LIU Ting-Ting LIU Shu-Zhen

()

DNA possesses extraordinary molecular recognition properties and remarkable structural features in the nano-level material regulation fields, which have shown enormous applications in many areas. In this review, we focus on DNA nanotechnology, including aspects ranging from modular DNA self-assembly to DNA origami, in addition to the recently reported novel assembly methods. Moreover, we summarize some applications of DNA nanotechnology, such as DNA-directed nanoparticle spatial positioning and orientation, and well-defined assembly of proteins on the DNA structure, as well as its uses, such as in the biomedical field, etc. The development and potential applications of DNA nanotechnology are also discussed.

DNA nanotechnology; Self-assembly; DNA module; DNA origami; Targeted drug delivery

February 16, 2017;

April 7, 2017;

April 27, 2017.

Corresponding author. Email: zhangzq@upc.edu.cn; Tel: +86-532-86984568.

10.3866/PKU.WHXB201704271

O648

The project was supported by the Scientific Research Foundation for Returned Overseas Chinese Scholars, China (2014010615), National Natural Science Foundation of China (21603276, 21303267), Natural Science Foundation of Shandong Province, China (ZR2016BL14) and Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (15CX05027A, 16CX05013A).

教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金(2014010615), 國家自然科學(xué)青年基金(21603276, 21303267), 山東省自然科學(xué)基金(ZR2016BL14), 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(15CX05027A, 16CX05013A)資助