典型的DNA纳米结构与DNA技术的应用,分析化学论文.docx

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1、典型的DNA纳米结构与DNA技术的应用,分析化学论文纳米科学是研究构造尺寸在1100nm范围内物质性质和应用的科学，从20世纪80年代末诞生起就遭到了全世界科学家的青睐。原子和分子的集合体一般都处于纳米尺度，能够表现出特殊乃至与宏观物体截然不同的物理、化学性质。因而，直接操纵原子、分子来构建具有特定功能的纳米构造、纳米材料和纳米器件成为了纳米科学研究的焦点。 DNA是脱氧核糖核苷酸Deoxyribonucleic Acid的简称，是主要的遗传物质，对遗传信息的储存与传递有着极其重要的作用。1953年，Watson和Crick利用X射线晶体衍射技术成功揣测出DNA的双螺旋构造1,随后碱基互补配对

2、原则也被提出。 1982年，Seeman提出DNA能够通过碱基互补配对原则构成特定的构造，而且单个的构造能够通过粘性末端构成复杂的二维或三维构造2.这表示清楚DNA不再只是遗传物质，还能作为一种天然纳米材料构建各类功能构造和纳米器件，Seeman提出的这一设想是DNA纳米技术的核心。此后，DNA分子引起了纳米科学领域的广泛关注，研究人员设计和合成了各种各样的功能DNA和不同的DNA构造，DNA纳米技术也渗入到诸多领域。 本文将主要介绍三种典型的DNA纳米构造以及DNA纳米技术在分析检测和疾病治疗领域的应用，并对DNA纳米技术的将来进行瞻望。 2三种典型的DNA纳米构造 2.1天然DNA纳米构造

3、-G-四聚体G-四聚体G-quadruplex不同于遵循A-T、G-C碱基互补配对原则构成的传统DNA双链构造，它是由富含G碱基的单链或双链、四链DNA通过分子内或分子间互相作用构成的独特四链构造，也叫G-四链体、G-四联体。 1962年，Gellert及合作者通过X射线衍射法证明了鸟苷酸能构成一种四链构造3. 在这种构造中，四个鸟嘌呤分子构成一个正方形平面G-平面，华而不实每个鸟嘌呤通过氢键互相作用与相邻两个鸟嘌呤连接。富含G碱基的DNA在某些低价态阳离子的稳定作用下能构成G-平面，而且由于G碱基在DNA链中的连续分布，G-平面能够堆积成四链构造，即G-四聚体4. 从本质上来讲，G-四聚体的

4、稳定是由于多种互相作用之间到达平衡，包括氢键、静电作用、范德华力和碱基的 - 堆积作用等。这些作用力在宏观条件下则表现为序列组成和溶液环境等因素对G-四聚体稳定性的影响5,6.Sugimoto等人从热力学和动力学两个方面的研究讲明了金属离子、溶液pH和碱基序列组成对于人体端粒序列中G-四聚体和DNA双链两种构造竞争有很大影响5,这对研究G-四聚体和DNA双链构造的构象转换和平衡有重要意义。 G-四聚体构造主要分布于多种生物细胞端粒DNA和启动子的鸟嘌呤富集区域，是一种天然存在的DNA纳米构造4,7.它与基因表示出的调控和染色体正常状态的维持有着密切联络，如构成G-四聚体构造能稳定端粒DNA、抑

5、制其无限增长进而防止细胞癌变。研究发现端粒DNA的无限增长与癌细胞的构成和繁衍有密切关系，端粒DNA是线性染色体末端的DNA重复序列，由一部分双螺旋DNA和一段短的富含鸟嘌呤的单链DNATTAGGG组成7.当存在某些低价态阳离子时，端粒末端富含G碱基的DNA链能构成稳定的G-四聚体构造，导致端粒DNA无法复制和扩增，对抑制癌细胞的构成有重要意义。 2.2人工DNA纳米构造-DNA折纸术DNA折纸术DNA Origami是利用DNA分子的特殊构造和碱基互补配对原则，将一条长的环状单链DNA的特定区域进行折叠，并用短链加以固定，构造出预期的构造。DNA折纸术主要通过五个步骤完成：首先构建预期的几何

6、模型和脚手架链，接着将脚手架链的特殊区域进行折叠，再将过量订书钉链与脚手架链结合，然后调整和合并订书钉链，最后退火得到预期的DNA纳米构造。 DNA折纸术最早是由Rothemund课题组8在2006年提出来的，并在Nature杂志上以封面论文发表。利用DNA折纸术，Rothemund得到了方形、三角形、五角星、笑脸等复杂的二维构造。2007年，Douglas等人9应用DNA折纸术的方式方法，将M13Mp18脚手架链折叠成长410nm的六螺旋纳米管，第一次使用DNA折纸术制造出了三维构造。其后，更多的二维图形和三维构造被设计和制造出来10-13. Andersen等人10折出了一种三维的六面体D

7、NA纳米空心盒子，该盒子的一个面还能通过DNA链交换反响实现人为控制开关，这种纳米盒子能够被应用于分析检测等领域。 Yan等人14设计并组装出了多种带有曲度的复杂构造，如半球、圆球、椭球、细颈花瓶等。2020年，Yan等人15对DNA折纸术方式方法进行一些改变、利用四臂结又组装出了格子状构造，并用该格子状构造创造出了球体、螺旋状等三维构造，这一成果将推动更为复杂的线框构造的出现，是DNA折纸术的一大突破。 DNA折纸术是传统DNA自组装的延伸，相比拟传统tile自组装具有图形复杂度高、编码便捷、反响迅速、成本低廉等优点16,17.尽管DNA折纸术刚刚起步，在实际应用方面还在不断尝试和探寻求索，

8、但其应用前景非常广阔。 DNA折纸术的构造是预期设计好的，所以折纸DNA中所有位点都是可寻址的。因而，DNA成为纳米排布的理想模型，能够被应用于纳米材料的组装18-20、纳米粒子的精到准确定位21和单分子检测22-24等方面。除此之外，利用DNA折纸术能组装出各种不一样形状的三维构造，还可能被用于药物运输和疾病检测等领域25,26. 2.3功能DNA纳米构造-核酸适配体核酸适配体Aptamer,又称核酸识体、核酸适配子是一种经过人工合成和挑选的功能DNA构造。它是通过指数富集的配体系统进化SELEX技术挑选得到的一类DNA或RNA序列，该序列能够借助氢键、范德华力、疏水作用等分子间作用力构成特

9、殊的三维构造如发卡、假结、凸环等，进而特异地、高效地与各种靶标物如金属离子、小分子、蛋白、细胞等结合。 核酸适配体及其体外挑选技术最早是由Szostak和Gold两个研究组提出来的。1990年，Gold研究组27运用体外挑选技术得到了一种能够与T4DNA聚合酶特异性结合的寡聚核糖核苷酸链，并把该体外挑选技术命名为SELEXSystematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment。同年，Szostak研究组28也报道了一种能结合小分子有机染料的RNA片段，并将其定义为核酸适配体Nucleic AcidAptamer。核酸适配体挑选技术的主

10、要经过是首先在体外设计并合成随机核苷酸库，然后将该核苷酸库与靶标物质混合培养，经过特定分离方式方法除掉未与靶标物质相结合的核酸序列，再对结合的序列进行反挑选排除掉非特异性结合的核酸序列，最后通过PCR技术扩增特异性核酸序列直到所得的核酸文库对靶物质的解离常数到达目的值。核酸适配体的发现表示清楚核酸分子不仅能够作为遗传信息的载体，还能通过本身特定构造与其他分子发生互相作用。 随后，研究人员又相继发现了各种能够特异性结合金属离子、三磷酸腺苷、核酸、生物大分子等的核苷酸序列29-36.进入21世纪后，以细胞为靶标物的核酸适配体挑选技术1引起了广泛关注37,38.由于特定的癌细胞外表带有与正常细胞和其

11、他类型癌细胞均不一样的特异性分子标志物，因而利用Cell-SELEX,能够在不知道分子标志物的情况下挑选出多个与相应癌细胞特异性结合的核酸适配体。 由于核酸适配体能够高效、特异性地与其他分子结合，在一定程度上与传统抗体的作用类似，因而被称为 化学抗体 .但相比传统抗体，核酸适配体具有很多优点39-41,如易于制备与修饰、长期稳定性好、变形可逆、免疫原性小、无毒性和快速的组织穿透性等。基于这些优点，核酸适配体被广泛应用于分析检测、生物传感、癌症诊断与治疗等领域。 3 DNA纳米技术的应用 3.1物质检测 3.1.1重金属离子的检测 重金属离子是当今环境主要污染物之一，严重影响人们的生活质量和身体

12、健康。因而，对重金属离子进行检测也显得尤为重要，当前研究人员利用DNA分子已经实现了对多种重金属离子的检测。Mirkin课题组42将两条含T-T错配的互补DNA链分别修饰在不同的纳米金上，在Hg2+存在的条件下，两条DNA链脱离纳米金构成稳定的T-Hg-T构造，纳米金失去保卫而聚沉，同时熔链温度提高，因而通过监测熔链温度便能定量检测Hg2+.Willner43设计了一种基于特异结合Pb2+的脱氧核酶和G-四聚体/氯高铁血红素复合构造的电化学传感器，成功检测到了Pb2+.在Pb2+存在的条件下，该脱氧核酶能够切断特定的底物核酸分子链使其构成G-四聚体并与氯高铁血红素作用，导致载体金的电学性质发生

13、改变而被检测出来。除此之外，Ag+44、UO+245、Cu2+46等离子的检测也能借助DNA分子成功实现。 3.1.2 酶的检测 酶具有高效的催化功能，在生物体生命活动的调节和新陈代谢中起到了重要作用，因而生物体中酶的检测对生命活动的研究有重大意义。一些酶能够辨别特定的DNA序列并与其发生作用，使该DNA失去其本来的功能，通过这一特点可实现对这一类酶的检测。 S1核酸酶能催化双链DNA水解，使纳米铜的合成因缺少双链DNA模板而无法进行，导致检测不到纳米铜的荧光信号，进而实现对体系中S1核酸酶的检测47.在尿嘧啶DNA糖基化酶UDG存在的条件下，含有尿嘧啶的RNA链会发生水解，而与其互补配对的富

14、含G的DNA链则会脱离出来并折叠成G-四聚体构造，再与三价铁化合物结合产生荧光信号，表示清楚对UDG的成功检测48.另外，研究人员还利用脱氧核酶探针成功检测到了早期癌细胞内的端粒酶49. 3.1.3其他物质的检测 很多功能DNA分子能够通过共价或非共价作用与其他化学、生物物质相结合，使本身构造或性质发生变化，与无机材料相结合能够将这一变化转换为人眼可观或者仪器能检测到的信号，进而实现对这一类物质的检测和分析。俞汝勤等50设计了一种DNA发卡构造用来检测核酸分子，目的核酸分子能与发卡的特定区域结合而使其打开并在低价态金属离子的稳定下构成G-四聚体，然后再通过G-四聚体/氯高铁血红素的催化作用证明

15、目的核酸分子的存在。谭蔚泓课题组51合成了一种核酸适配体修饰的MnO/Au异质构造，生物分子能与其核酸适配体特异性结合并在MnO/Au的激光解吸电离作用下产生带电粒子而被质谱仪捕捉，同时实现了对生物分子的检测和质谱分析。当前利用DNA功能构造还实现了对蛋白质52,53、有机分子54,55等物质的检测。 3.2癌症诊断与治疗 3.2.1癌症诊断 早期癌细胞的检测对于癌症临床诊断和治疗至关重要。一直以来，癌细胞的检测主要通过观察癌变组织或细胞的形态来判定，但这种方式方法无法给出准确的诊断。而利用Cell-SELEX技术挑选得到的核酸适配体能够高效、特异地结合特定癌细胞，在癌细胞捕获、检测和成像等领

16、域有重要应用，准确地诊断出早期癌症。谭蔚泓与合作者56将核酸适配体修饰的纳米金与微流元件相结合，发展了一种高效捕获并分离血液中循环肿瘤细胞的方式方法。曲晓刚课题组57设计了一种基于核酸适配体和功能化石墨烯的电化学传感器，通过癌细胞外表过度表示出的核仁素实现对癌细胞的检测。王柯敏课题组58发展了一种发卡构造的核酸适配体，该适配体能够特异性辨别癌细胞，当靶向癌细胞存在时，发卡构造打开使其携带的荧光分子产生信号，呈现出癌细胞分布的荧光图像。 3.2.2药物运输 DNA分子能够自组装构成特定的功能构造，而且具有稳定性高、生物兼容性好、细胞毒性小等优点59,60,因而被用作药物运输的载体并且能够在靶向试

17、剂的作用下到达靶细胞实现治疗的效果。利用rolling circle amplification的方式方法能将一条DNA长链和少量短的订书钉链折叠出预期的DNA折纸术构造，该构造可用作CpG免疫刺激性药物的载体61;将两条DNA短链与核酸适配体结合，经过杂交和链延长后能构成纳米 火车 构造，提供大量的可寻址位点来负载药物，并在核酸适配体的 牵引 下运输到特定部位62;核酸适配体末端接上疏水基团后在溶液中便能自组装成胶束构造，抗癌药物被储存在胶束内部并随胶束运输到特定细胞后释放出来63;DNA链还能结合到纳米金颗粒外表构成球形核酸构造，拥有药物运输、成像等多重功能64.除此之外，将DNA分子与偶

18、氮苯结合能实现药物的可控释放65,66. 3.2.3靶向治疗利用Cell-SELEX技术能够在不知道分子标志物的情况下挑选出多个与相应癌细胞高效、特异结合的核酸适配体，能够用于分子水平的靶向治疗，极大地改善癌症的治疗效果、减少毒副作用。Farokhzad与合作者60最先将核酸适配体用于靶向化疗，他们用高分子纳米材料负载紫杉醇并用核酸适配体修饰，该复合物被成功用于模拟动物实验，显著提高了治疗效果且降低了毒性。其后，谭蔚泓课题组67在空心多孔的磁性纳米颗粒外表接上聚乙二醇配体，再修饰上核酸适配体，该复合物能同时实现靶向化学治疗和核磁共振成像。 另外，近年来，靶向光动力学治疗和靶向光热治疗也引起了人

19、们的关注。将高选择性的核酸适配体与光敏剂相结合，利用光敏剂受激发能产生活性氧来杀死癌细胞，到达靶向光动力学治疗效果68-70.而靶向光热治疗70-72则是利用金、银纳米颗粒或纳米棒的外表等离子共振性质，在近红外光激发下金、银纳米材料能够产热并在核酸适配体靶向作用下杀死特定癌细胞。 4结论与瞻望 DNA分子的独特性质，使其成为非常重要的天然纳米材料，在构造功能构造和纳米器件方面有着极为重要的地位。 DNA纳米技术当前已经获得了宏大的成就，被广泛应用于分析检测、传感器、疾病诊断与癌症治疗、分子机器等诸多领域。但其仍然处于发展的初期阶段，面临着较多挑战，如更高层次级构造的设计、DNA合成的高成本、DNA合成的纯度限制、DNA自组装易出错等。随着这些问题的解决和DNA纳米技术的飞速发展，DNA纳米技术将在已渗入的领域中有更重要的应用，同时还将在其他新的领域，如DNA计算机、数据储存等方面发挥重要的作用。