DNA纳米自组装构图及功能化研究-电机与电器硕士论文

分类号TP18学校代号10462 密级公开学号 331102040004 硕 士 学 位 论 文 DNA 自组装纳米构图及功能化研究自组装纳米构图及功能化研究 学位申请人学位申请人 ： 侯 贺 伟 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 ： 王 延 峰教 授 黄 春(副 导 师 ) 专业名称专业名称 ： 电 机 与 电 器 学科门类学科门类 ： 工 学 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 ： 2014 年 06 月 ADissertation Submitted to Zhengzhou University of Light Industry for the Academic Degree of Master of Engineering Science Nano-parttering and Functional Studies on DNA Self-assembly Candidate: Hou Hewei Supervisor: Prof. Wang Yanfeng Assistant-Supervisor: Huang Chun Major: Electric Machines and ElectricApparatus School of Electronics and Informatics Zhengzhou University of Light Industry Zhengzhou 450002, P.R.China June 2014 郑州轻工业学院郑州轻工业学院 学学 位位 论论 文文 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中作出了明确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 年月日 - 郑州轻工业学院郑州轻工业学院 学位论文知识产权声明书学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属于郑州轻工业学院。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和 借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时，本 人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为 郑州轻工业学院。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名： 年月日年月日 I 摘摘要要 DNA 分子及其自组装具有纳米级的空间尺寸，特异性的自识别能力，自下而上的 自组装模式及可编程组装等特性，在生物科学，材料科学，纳米电子学及医学等众多学 科领域的研究中备受关注。尤其是作为一种新型的建筑结构材料，通过自组装方式构筑 的复杂纳米级结构功能体具有巨大的潜在应用价值。本文分别基于 DNA 折纸术(DNA origami)和单链 tile(Single-stranded tile, SST)自组装方法开展了郑州轻工业学院纳米级校 徽图形设计与构建的研究，并提出了用于引导纳米金颗粒自组装的 SST 模板设计方案。 本文的主要研究内容包括： 首先，应用 DNA 折纸术技术，通过建立郑州轻工业学院校徽图形几何模型，生成 脚手架链折叠路径，配置图形订书钉链，附带与生化实验验证及原子力显微镜表征等过 程开展了郑州轻工业学院纳米级校徽图形设计与构建的研究工作，实验结果表明，DNA 折纸术在构建具有镂空结构的纳米级校徽图形中存在困难，但对 DNA 折纸术纳米构图 的研究具有指导性的作用。 其次，运用 SST 自组装方式，通过建立 DNA 分子画布，投射构建图形，选取 SST 链子集，添加保护边缘，再加上生化实验操作及原子力显微镜表征等过程开展了郑州轻 工业学院纳米级校徽图形设计与构建的研究工作。实验结果表明，与 DNA 折纸术相比， SST 自组装方法在构建具有镂空结构的复杂纳米级校徽图形中更具优势； 然后，基于 SST 自组装方法，通过延长部分单链 tile 的长度，创建具有分子接口的 矩形 DNA 自组装基板，提出了引导纳米金颗粒在其上可编程自组装，以实现纳米金粒 子的可控操纵的设计方案，探索 DNA 自组装结构的功能化应用。 最后，对本文的研究内容进行了总结，对课题今后的发展方向做出了展望。 关键字关键字：DNA 自组装；Tile 自组装；DNA 折纸术；SST 自组装；纳米金 II III ABSTRACT DNA molecules and self-assembly have drawn a lot of attention in such fields as Bioscience, Materials Science, Nanoelectronics and Medical Science, etc., due to their nanoscale spatial dimensions, specific self-recognition ability, bottomup self-assembly model and programmable assembly feature. Particularly, As a new type of building structure material DNA has great potential application value in constructing multiple and functional nanoarchitectures through self-assembly. In this review, The nanoscale School Badge of ZhengZhou University of Light Industry was designed and constructed through DNA origami and Single-stranded tile (SST) self-assembly respectively, Besides, The paper put forward to a design proposal what SST self-assembly rectangulartemplate guiding Gold nanoparticles to programmable self-assembly. The main research contents of this thesis included: Frist of all, Applied Scaffold DNA origami technology to implement the design and construction of ZhengZhou University of Light Industry School Badge nanoshape, The scheme was put into effect by establishing a school badge block diagram, generating a folding path of scaffold strand, configuring staple strands, Additionally, those work was tested by biochemical experiment and represented by Atomic Force Microscope (AFM). The result indicated that some difficulties existed when building a nanoscale school badge of ZhengZhou University of Light Industry with long thin and hollow projections through DNA origami technology. But the study played a guiding role on nano-patterning of DNAorigami. Secondly, Adopted SST self-assembly tactics to realize the devise and creation of the school badge of ZhengZhou University of Light Industry. The program was run by building a DNA molecular canvas, mapping a school badge shape, selecting appropriate strand subsets, adding edge protector strands, conducting Biochemical experiment and showing by AFM in order to carry out nano-patterning research of SST self-assembly. The result showed that SST self-assembly strategy exhibited more superiority in creating a nanoscale school badge pattern compared with DNA origami technology. Then, proposed a design project based on SST self-assembly strategy that constructing SST self-assembly-template with molecular interface and guiding gold nanapariticles to precise and programmable assembly through improving DNA tile structure. Further， Achieved IV controllable manipulation of gold nanoparticles and carried out functional study of DNA self-assembly. Finally, summarized the primary coverage of this article and made a promising prospect for the future research direction. Keywords: DNA self-assembly; DNA tile self-assembly; DNA origami ； SST self-assembly; Gold Nanoparticles I 目目录录 第一章 绪论.1 1.1 研究背景及意义.1 1.2 国内外研究现状.3 1.3 结构 DNA 纳米技术.8 1.4 纳米金.10 1.5 本文的主要研究内容和创新之处.10 1.6 本章小结.12 第二章 基于 DNA 折纸术的郑州轻工业学院校徽图形构建. 13 2.1 DNA 折纸术.14 2.1.1 脚手架链的折叠方式.14 2.1.2 订书钉链的设计.17 2.2 基于 DNA 折纸术的纳米级校徽结构图形设计.19 2.3 生化实验操作.21 2.4 结果与讨论.22 2.5 本章小结.24 第三章 基于 SST 自组装的郑州轻工业学院校徽图形构建. 25 3.1 SST 自组装方式.25 3.2 基于 SST 自组装方式的校徽图形设计.27 3.3 生化试验操作.31 3.4 结果与讨论.33 3.5 本章小结.34 第四章 引导纳米颗粒自组装的 SST 模板设计.35 4.1 改进型 SST 自组装模板的设计.35 4.2 改进型 SST 自组装模板的应用探索.36 4.2.1 纳米排布.36 4.2.2 DNA 纳米机器人运动平台.37 4.2.3 药物载体.37 4.2.4 制备电子芯片及生物芯片.37 II 4.3 SST 自组装模板引导纳米金颗粒自组装的研究.38 4.3.1 纳米金溶液的制备方法.38 4.3.2 纳米金-DNA 复合物的制备方法.39 4.3.1 纳米金-DNA 在 SST 模板上组装.40 4.4 本章小结.40 第五章 总结与展望.41 5.1 总结.41 5.2 展望.41 致谢.43 参考文献.45 附录 1 攻读学位期间所发表的论文.51 附录 2 攻读学位期间参加的科研课题.52 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 随着现代工业技术的发展，电子电路已进入超大规模集成电路时代。然而，根据摩 尔定律的预测，电子元器件的几何尺寸即将进入纳米层面，依据现今的工艺和技术， 电 子电路的发展即将会遇到原理和技术上的瓶颈，因此，开发新的工艺和制作技术以实现 在纳米层面对电子电路的操控显得迫在眉睫。 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 人类社会的发展历史向我们展示，科技的发展是促进着人类社会不断进步的动力， 自十八世纪起至今，人类社会已经经历了两次重大的工业革命。从某种程度上来看， 这 两次重大的工业变革可以通过标志性空间尺度的变化来归纳。 18 世纪中叶， 以 “蒸汽机” 为代表的工业机器的诞生催生了人类历史上的第一次工业革命， 其使用新的动力解放了 人们的双手，使人类迈入了以动力机器替代人类劳动的机械化工业时代，推动了机械工 业的发展，带动了整个人类社会的深刻变革，其标志性尺度为毫米级，可以称之为毫米 技术发展应用时代。19 世纪七十年代，以“电子技术”为标志的电力、电气的广泛使用 开启了人类社会发展史上的第二次工业革命，它将人类带入了电子化、电气化、计算机 及网络通信的新时代，不仅缩短了人与人之间的距离，而且很大程度上解放了人们的脑 力劳动，极大的推动了科技的创新，促进了社会生产力的发展，也带动了整个社会的进 步，这一期间的标志性尺度可以概括为微米，因此可称之为微米技术发展时代。人们预 测，在 21 世纪的今天，以“纳米技术”为标志的新材料技术、生物技术等新兴科技将 会引发人们社会发展史上的第三次工业革命， 驱使人们从最底层去探讨生命和物质的秘 密，开发出直接操纵单个原子或分子，制造新型材质的科学技术，从而创造新的物质和 材料；即引导人们的生产和科技活动向更小、更精细的方向发展，带领人们从微米层面 继续往下深入到纳米层面， 并彻底改变人们以往的生产模式， 给传统产业带来质的变革， 开创全新的纳米时代。 随着科技的进步，电子电路在经历了电子管，晶体管，集成电路的发展历程后， 当 前正处在以超大规模集成电路和特大规模集成电路为特征的微电子电路时期， 电子电路 的制作工艺也从最初的 10m， 经历了 6m、 3m、 1m、 0.5m、 0.35m、 0.25m、 0.18m、 0.13m、 0.065m、 0.045m 的变革， 如今 Intel 公司的 CPU 芯片的制作工艺已达到 22nm 水平，并有继续减小的趋势与需求。然而依据摩尔定律的预测，依照这样的进程继续发 郑州轻工业学院硕士学位论文 2 展下去， 超大规模及特大规模集成电路的发展即将会遇到来自物质原理性的限制和传统 工艺技术性短板等两个方面的挑战。主要表现在：第一，当集成芯片上元器件的尺寸缩 小到纳米层面时，电子的性质将会发生本质的变化，电子器件将会在一个异与宏观世界 电学理论的情况下工作，表现出微观世界所特有的性质。第二，集成芯片受到热力学方 面的限制，电子元器件的尺寸变的越来越小，而在同一片芯片上集成的元器件的个数却 越来越多，近百亿个元器件在一片微小的芯片上同时工作，所产生的热起伏现象不可避 免的会影响器件性能的一致性，可能导致集成芯片无法正常工作。第三，目前用于芯片 制造的光刻蚀技术工艺即将达到理论极限。在更小更精细的尺寸实现集成电路的制作， 传统操作工艺已力所不及，迫切需要制作工艺上突破及制作方法上的创新。其他限制还 包括 Heiseberg 测不准原理，功率耗散等。 目前，电子电路的发展大体有两个思路。第一，开发新的制作工艺，使其能在更精 细的尺寸上实现电子电路的制造。第二，变革电子电路的制作思路，利用新型材料，自 下而上的构筑新型分子电路。 当前对具有特殊功能的单个分子器件的研究是业界研究的 一个热点，如分子导线，分子马达，分子整流器，分子开关，分子电路，分子存储器等 的制备，甚至提出了分子计算机的思想。且相关实验技术的相继诞生，如分子自组装， 扫描隧道显微镜，原子力显微镜等技术的出现与应用，使分子器件的研究取得了许多突 破性的进展，该方面的研究也逐渐发展成为一门新型的学科分子电子学。研究学者们 普遍认为，分子电子学将会继承现今微电子学的发展道路，引领现代科技的发展，将电 子电路推向更高层次的阶段，并再次推动社会的巨大变革。 构筑一套完整的纳米电路的基本前提是创建出可利用的基本的分子器件和具备操 作这些分子器件的纳米操控手段。在 2000 年之前，研究人员在分子电子学的方面的研 究基本局限在开发新型分子材料和构建单个分子器件上，并取得了相当的进展。2001 年， 研究人员将多个单一分子器件实现互联， 构成了具有一定逻辑功能和运算能力的“分 子电路”，取得了分子电子学研究上的重大突破，朝着分子电子电路的实现迈出了坚实 的一步。实现对分子器件的纳米操控主要有两个思路： (1)研发可用于操控分子器件的精密仪器。扫描隧道显微镜(STM)在低温、超真空的 实验条件下实现了对 35 个氙原子可控精确排布操作，制成了世界上最小的 IBM 商标。 在其基础上发展而来的原子力显微镜(AFM)在室温条件下可实现对软物质的原子层面 的操作。精密操控仪器的研发极大的推动了分子电子学的发展。 (2)发挥生物分子自身的自组装特性构筑分子电路。例如利用 DNA 分子，蛋白质分 子等的特异性识别组装特性自发构造分子级电路。 第一章 绪论 3 制造具有执行纳米操作功能的高分辨率精密仪器有待于科技的进一步创新，现阶 段，研究人员更多的是将目光投入到生物分子自身的制造能力上。各种分子及分子功能 性基团通过化学键的连接自发形成纳米级功能结构的例子给了科学家们利用分子自身 的特异性构建分子电路的灵感， 生物活性分子自组装技术近年来在学术界得到了越来越 广泛的关注。 生物分子的空间尺寸处于纳米水平，实现对生物分子的操作属于纳米技术的范畴。 如今，纳米技术通常以生物分子形成的结构体作为模板，利用生物分子间特异的有机结 合特性，引导异质物质颗粒自组装，实现纳米粒子的人为可控排布，创建多种新型纳米 材料及器件。在所利用的各种生物分子中，DNA 分子以其精确的纳米尺寸效应，独特 的双螺旋分子结构、稳定的物化性质及刚性的力学结构，并行的结合机制，再加上空间 构象的可逆性，碱基间特异性的自我识别能力及自组装结合等优势，正逐渐受到众多研 究人员的青睐。已发表的研究成果表明，对 DNA 自组装所形成的稳定的空间拓扑结构 的热力学属性和动力学属性等性质的研究都表明 DNA 正在成为构造纳米结构的理想建 材，作为纳米技术中的支架工具和模板，引导功能性纳米元件的组装，实现分子器件及 分子电路的制造。本课题在深入研究并比较最新结构 DNA 纳米技术在构筑二维结构效 果的基础上， 选用 SST 自组装方式自下而上构筑一个矩形自组装平面结构， 并以矩形自 组装平面为基板，实现纳米金颗粒的精确自组装，为实现纳米层面物质的人工操控奠定 了基础，为开展 DNA 自组装功能化研究指引了方向。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1982 年，Seeman 教授1撇开生物学的范畴，从结构几何学和计算科学的角度解读 DNA 特殊的结构状态Holliday 中间体(Holliday junction)，他从 Holliday 中间体结构得 到了启发，认为与一维线状双链 DNA 不同，Holliday 中间体具有一对新的空间结构取 向，可以将 DNA 结构向更高维度发展，第一次提出了利用 DNA 粘性末端互补结合的 特性构建二维及三维纳米级有序网格结构的思想。他还提出了“DNA 分子不仅是一个遗 传物质，而且可以作为一个精巧的构件来构筑完美的宏观建筑”的论点。在其后一年的 研究工作中，Seeman2发明了一种称为四臂结(four-arm junction)的 DNA tile，可以将多 个该种类型 DNA tile 通过每个臂末尾的黏性末端相互连接，形成一个二维 DNA 栅格结 构。这也是人类第一次将 DNA 分子纳入纳米建筑结构材料的范畴，奠定了“结构 DNA 纳米技术”(Structural DNA nanotechnology)的基础，也开启了 DNA 纳米技术这一全新的 研究领域。 郑州轻工业学院硕士学位论文 4 1988 年， Churchill 等3研究发现四臂结 DNA tile 是二向对称的而非四向对称， 直接 启发了研究人员对开发新的 DNA tile 的探索。 1993 年，Fu 等4开发了一种新系列的 DNA tile。该类型 tile 的主体结构由两股双螺 旋并排而成，称之为 DX tile，DX tile 内部含有一个双螺旋交叉(crossover)结构单元，使 得其整体结构模块坚固而稳定。 1998 年，Winfree 等人5利用 DX tile 通过黏性末端的互补连接组装成了带条纹的 DNA 平面网格，并通过原子力显微镜表征，确认了自组装产物的真实存在，如图 1-1(a) 所示，这是 DNA 自组装结果的首次实证，该成果以封面形式发表与当年的 Nature 杂志 上，对 DNA 纳米构图的发展具有里程碑意义6。 2000 年，Labean 等7将 DNA 链缠绕成三排的结构，构建了一系列新的自组装 tile 模块，称之为 TX tile。它们是由 3 个边对边的双螺旋组合而成的自组装体，每个 TX tile 包含有 6 个黏性末端，各 TX tile 相互连接能够形成较 DX tile 更稳定的二维阵列，如图 1-1(b)所示，并且所形成的二维自组装结构含有缝隙，为容纳其他纳米粒子提供了空间， 同时他们还证实了 TX tile 是一种新的刚性 DNA 自组装模块。 2003 年，Yan 等8综合四臂结和 DX Tile 的结构特性，开发出了一种结构更为复杂 的自组装模块，称为十字 tile。模块由 9 条 DNA 单链组装而成，包含有四条对称的臂， 每条臂都由带交叉的并排双螺旋结构组成，由 2 条 DNA 单链构成，剩下中央一条 DNA 单链链贯穿 4 条臂， 以达到提高整个模块结构稳定性的目的。 相对于 TX tile， 该十字 tile 结构更加稳定，由其构建的 DNA 自组装结构为纳米粒子的在其上的附着提供了更多的 可占用空间。 2005 年，He 等9改造十字 tile 成四重对称结构，仅用 3 中相异的 DNA 单链就构造 出了该类型的 tile，通过进一步的自组装形成了近几十微米大小的网格结构，并用气相 蒸镀法在所形成的纳米网格上实现了金排布。除了将十字 tile 模块进行序列对称化外， He 等还设计了新的三角星模块10和六角星模块11，均组装成了微米级的网格结构，并 连接纳米金形成了纳米金复合物。 2008 年 Mao 等12对十字 tile 进行改进， 将十字 tile 各臂设计为相同的序列， 创建出 一种新的对称三角星(3-point star)tile，并在实验中通过调整三角星 tile 中心颈环的长度 设计和溶液中 tile 的浓度比例，用同一种 tile 搭建了四面体、十二面体、巴克球等多种 对称三维立体纳米结构，在原子力显微镜(AFM)及低温电子显微镜下都观察到了很好的 图形结构。之后又以同样的思路，利用构建的五角星模块组装成了二十面体及 DNA 笼 子13，在 DNA tile 三维自组装史上留下了浓厚的一笔。 第一章 绪论 5 2014 年，Shi 等14构造了一种通用性较强的 sub-tile，利用该类型的 sub-tile，实现 了同时构建 3 臂、4 臂、5 臂、6 臂 tile 模块的任务，如图 1-1(j)所示，并对构建的各种 tile 模块实行二次自组装， 得到了具有不同网孔特征的平面网格结构， 从而验证了 sub-tile 结构是稳定的，也证明了 sub-tile 自组装方式的灵活性和通用性，是 DNA Tile 自组装领 域的一次重大创新，为 DNA tile 自组装构建纳米结构的发展注入了新的生机与活力。 在大多数研究人员追求各种新奇且独具创意的 DNA tile 类型以期创建更复杂的 DNA 纳米结构而努力的同时，少数研究人员开始另辟蹊径，他们不满足将一种或几种 DNA tile 放在一起仅进行简单的周期性排列，形成无边界的平面网格或将网格卷曲成管 状物等的组装模式，开始对已有 DNA tile 的黏性末端进行编码，使得多个 DNA tile 按 照人们的意愿，依据特定的顺序或方式进行组合，从而自组装成可寻址的高度复杂纳米 图形。2005 年，Lund 等15利用 9 种具有不同黏性末端的十字 tile 自组装成了 33 的有 限平面网格；2006 年，Park 等16用 16 种黏性末端互异的十字 tile 模块组装成了更大的 44 的有限网格结构；同时 liu 等17在 2005 年利用 DNA tile 的对称性，通过黏性末端的 合理设计，仅用少量的 DNA tile 就构建成了 33、55 的对称有限网格。这些研究工作 推动了DNA tile自组装向构建可编程、 可寻址的有界纳米结构的方向发展， 引导DNA tile 自组装向实际应用方向发展。 在 DNA tile 自组装蓬勃发展的同时，研究人员对 DNA 自组装模式也进行了深入的 思考和创新，不断提出新的自组装方法以满足人们对创建更复杂更多样的 DNA 纳米结 构的需求。 2006 年，Rothemund18提出了一种新的 DNA 自组装思路，他利用一条长的 DNA 单链和数百条短的 DNA 单链放在一起自组装，创建出了矩形，三角形，五角星，笑脸 等六种不同的二维纳米结构，如图 1-1(c)所示。这些纳米结构直径大约为 100nm，空间 分辨率达 6nm，与传统 DNA tile 自组装所形成的图形相比，无论从结构的复杂性，还是 规模都较之传统 DNA 自组装结构提高了数倍。 Rothemund 称这种自组装方法为 DNA 折 纸术（DNA origami）。他同时以自组装所得到的图形为基板，将短链 DNA 的发卡结构 作为像素点，在组装的二维图形结构上描绘出了字母、雪花、美洲地图等图形的纳米图 案。DNA 折纸术的发明是 DNA 自组装方式上的一次重大变革，使得结构 DNA 纳米技 术发生了质的飞越。其自下而上的自组装方式为构建各种复杂 DNA 纳米结构提供了新 的方法，它的出现唤起了 DNA 自组装发展研究的一次新的研究热潮，使更多的研究人 们投入的 DNA 自组装新一轮的研究工作中，被誉为结构 DNA 纳米技术发展历程上一 个重要的里程碑。 郑州轻工业学院硕士学位论文 6 图 1-1 结构 DNA 纳米技术研究成果 2006 年，Qian 等19基于 DNA 折纸术的原理，设计并构造出了非对称的中国地图的 图案，并在原子力显微镜下观察到了清晰的纳米级图形，如图 1-1(e)所示。该图案直接 约为 150nm，无疑是世界上最小的中国地图图形，该工作由上海交通大学 Bio-X 中心 DNA 计算机交叉团队完成，也是 DNA 折纸术研究领域的第二项成果。中国地图图案是 首个利用 DNA 折纸术创建的非对称的纳米结构图形，克服了以往 DNA 自组装形成非 对称图形时的应力问题。这项成果的成功表明，利用 DNA 折纸术的方法，可以创建出 非对称且复杂的二维结构。该项目的研究人员还进一步推断 DNA 折纸术具有构建任意 复杂二维纳米级图案的能力，为复杂二维纳米图形的创建提供了新的方法。 2007 年，Shih 等20将 DNA 折纸术拓展到三维结构层面，成功利用脚手架链折叠出 了六螺旋的纳米管，该纳米管长约 410nm，由 6 个 DNA 螺旋通过交叉连接而成，这是 DNA 折纸术在三维结构自组装领域的首次尝试， 实现了 DNA 分子由构建二维图形到创 建三维结构的一大突破，自此，三维 DNA 折纸术在 DNA 自组装领域快速发展。 2008 年，Andersen 等21开发了一种专门用于 DNA 折纸术图形设计的软件，并借助 此软件设计并创建出了非对称又带孔的海豚图形结构。研究人们在海豚图形尾巴中缝处 的设计中， 通过在使用crossover和不使用crossover的情况下以及使用不同数量crossover 的情况下，对比海豚尾巴与身体产生的不同夹角，得出了宝贵的结论：具有 crossover 的图形结构比不具有 crossover 的图形结构稳定，crossover 多的结构比 crossover 少的结 第一章 绪论 7 构稳定，证明了 crossover 的确具有增加 DNA 纳米结构稳定性的作用，这一尝试也为今 后制造“纳米机械装置”提供了一种新思路。另外，Andersen 在随后的研究中利用在不同 的试管中分别创建出的边缘互补的海豚图形，并将他们放在一起进行二次自组装，成功 构建出了连体海豚， 如图 1-1(f)所示。 该研究迈出了利用 DNA 折纸术进行高阶自组装的 大胆的一步。 2009 年，Douglas 等22在 DNA 纳米管的基础上提出了“蜂窝褶状模型”，并依此创 建出了块状巨石、桥式结构、方向螺帽、细瓶颈、堆积交叉、插槽交叉等多种单体和组 合结构，被 LaBean 教授誉为 DNA 纳米技术领域的又一个里程碑7。并在进一步的研究 中23，通过在每个单元上适当的添加或减少碱基数目，实现了三维结构的整体扭曲和弯 折，通过透射电子显微镜(TEM)表征与设计完全相符，弯折角度可精确控制到 3。 2009 年，Ke 等24基于 DNA 折纸术，构造出了 DNA 四面体笼，如图 1-1(h)所示， 该边长 54nm 的空心三维结构并赋予纳米机器的职能，研究人员寄希望与其能用于转载 “货物”，实现纳米颗粒向特定目标的传送。同一年，丹麦 Andersen 等25基于 DNA 折纸 术，利用“先折面在合围”的方法构造出了一个具有可寻址特性的 DNA 六面体盒，如图 1-1(i)所示， 并通过链置换级联反应， 使用 DNA“钥匙”实现了控制 DNA 盒盒盖开启与关 闭的操作。 2012 年，Yan 等26在 Science 上以封面形式发表论文，提出利用 DNA 折纸术可以 将脚手架链折叠成任意织构的三维纳米结构的观点。 他们通过在每个单元上适当的增加 或减少碱基数目，调节自组装结构的表面曲率，创建出了像艺术品一样的纳米“圆球”和 精美“花瓶”，如图 1-1(g)所示，TEM 下观察结构与设计完全一致，将三维 DNA 折纸术 推向了一个新的高度。 2012 年，Yin 等27融合 DNA tile 自组装和 DNA 折纸术的构图思想，开创性的提出 了利用一系列短的单链DNA自组装构建纳米结构的SST自组装方法,并利用300 多条短 的 DNA 单链，一次性合成了 100 多个二维 DNA 纳米图形，包括数字、字母和符号等， 如图 1-1(k)所示，开创了 DNA 自组装一次性纳米构图数量之最，是目前通用性最强的 一种 DNA 纳米构图方式。 2012 年，Yan 等28在二维 SST 自组装方式的基础上，通过改进单链 DNA tile 的长 度，根据 DNA 双螺旋的空间结构特性，使得每条单链 DNA tile 自组装时空间位置发生 改变，不在是所有的 DNA tile 都处于同一个平面，而是延伸到三维空间中去，再一次发 挥 SST 方式强大的自组装能力， 成功组装成了 100 多个三维 DNA 纳米结构， 如图 1-1(l) 所示，令众多研究人们叹为观止。 郑州轻工业学院硕士学位论文 8 1.3 结构结构 DNADNA 纳米技术纳米技术 纳米技术是利用具有纳米尺度的物质和材料，构建具有一定几何构型与特定功能的 聚合体的技术29。它能在纳米空间尺度实现对原子或分子的操纵，完成对材料的加工处 理，制造出具有特定功能用途的产品或对某些物质进行研究。DNA 作为一种天然的纳 米级生物大分子，是绝大多数生物的遗传信息的载体。其丰富的序列编码能力和特异性 的碱基识别特性使其具有纳米尺度上的多种形态构型。结构 DNA 纳米技术就是纳米技 术与 DNA 分子的有机融合，利用纳米技术手段，以 DNA 分子优越的理化性质为基础， 如精确的纳米尺度，刚性的双螺旋结构，强大的并行自组装能力，自下而上的自组装原 则及可预测的自组装结果等30，构造不同种类、不同尺寸的纳米级功能结构的技术。 目 前，结构 DNA 纳米技术所创建的二维和三维纳米结构通常被用作纳米骨架或基板，引 导异质粒子在纳米空间尺度上精确有序排布， 构建多组分、 多功能化的纳米结构复合体。 当前，学术界所研究的结构 DNA 纳米技术大致可分为三类：DNA tile 自组装、DNA 折 纸术和 SST 自组装。 DNA Tile 自组装是结构 DNA 纳米技术的开端，最早兴起的 DNA 自组装指的就是 DNA tile 自组装。1982 年，Seeman 教授首次提出 DNA tile 自组装的思想，如图 1-2(a) 所示，并在随后的研究工作中发明了第一个 DNA tile四臂结。在该工作完成的 15 年 后，即 1998 年，Winfree 等第一次利用 DX 进行自组装，并通过原子力显微镜观察到了 自组装的结构，首次证明了 DNA tile 自组装的产物的实际存在。经过近 30 多年的发展， 研究人员已经开发出了各式各样的 DNA tile，如 DX4，TX7，PX31，十字 tile8、对称 tile9及 Sub-tile14等，且都经过实验验证得出各种 Tile 是刚性的。如今，DNA tile 自组 装根据