DNA分子机器控制的金纳米粒子恒温组装

1、DNA分子机器控制的金纳米粒子恒温组装DNA是一种由 A、T、G、C 四种核苷酸组成的双螺旋生物大分子, 通常作为遗传信息的载体在生命体内起到存储和复制遗传信息的作用。在DNA纳米技术领域 ,DNA作为一种结构精确的反应基元被广泛用于分子器件的构建 ,DNA分子计算、疾病诊断 , 以及生物传感等。其中 , 以基于黏性末端 (toehold) 的 DNA链替换反应构建的催化循环网络体系尤其引起人们的兴趣。在这些体系中 ,DNA目标链的功能类似于化学反应中的催化剂 , 可以通过一系列的 DNA链替换反应驱动 DNA分子机器正常运转 , 而自身不被消耗。由于具有独特的物理化学性质 , 金纳米粒子近年

2、来受到人们的广泛关注。自从上世纪九十年代中期 DNA金-纳米粒子复合物被 Mirkin 等人成功制备以来 , 这种 DNA功能化的金纳米粒子已经被广泛应用于体内外检测、 细胞转染、基因调控以及晶体结构组装等领域。在传统的 DNA-金纳米粒子组装体系中 ,DNA连接链 (linker)的两端直接与两种金纳米粒子表面的DNA探针互补连接 , 从而完成金纳米粒子的组装。但是这种“直接连接策略”功能单一, 无法对金纳米粒子组装过程进行精确的调控。尤其是在需要 DNA-金纳米粒子实现复杂逻辑功能的体系中, 这种简单策略就更难以实现了。因此很大程度上限制了金纳米粒子组装体系的进一步应用。在本论文中 , 通

3、过将 DNA-金纳米粒子组装体系和toehold 协助的 DNA链替换反应相结合 , 我们构建了一系列DNA分子机器调控的金纳米粒子组装体系对金纳米粒子的恒温组装过程进行精确的动态控制。首先, 研究了金纳米粒子表面DNA链替换反应的特性。研究发现金纳米粒子表面接枝的DNA入侵链 toehold 长度为 7 和 8 时造成的DNA链替换反应速率跃变的现象是由于金纳米粒子表面的高DNA链接枝密度引起的。此研究加深了对金纳米粒子表面DNA链替换反应特性的理解 , 同时有助于指导 DNA-金纳米粒子恒温组装体系的设计和应用。多输入 DNA逻辑门可以进行复杂逻辑运算, 在 DNA检测中能同时检测多种致病

4、基因。由于金纳米粒子和金纳米棒有两个互不干扰的紫外吸收峰, 在第三章中将 DNA修饰的金纳米粒子和金纳米棒组合 , 利用它们的紫外吸收峰值变化作为输出信号 , 通过 DNA分子机器驱动金纳米粒子和金纳米棒的组装 , 构建了两种多输入 DNA逻辑门 (A AND B) AND (C AND D) 和(A OR B)AND (C OR D) 。实验结果表明这两种多输入逻辑门均可区分多种目标链输入情况, 且信号可读性好易于分辨。相信这种方法不仅可以同时检测多种目标 DNA,而且在复杂逻辑运算方面也有应用前景。原理上 ,toehold 协助的 DNA链替换反应驱动的金纳米粒子组装体系可以进一步组合成多

5、级的复杂循环网络。构建 DNA分子机器驱动的 DNA金-纳米粒子多层组装体系面临的主要挑战是多级系统中多种核酸组分之间的复杂相互作 . 用和泄露行为造成的消极影响。在第四章的工作中 , 通过计算模拟与实验相结合 , 研究了 DNA催化循环体系的动力学性能和泄露行为 , 并且实现了 DNA分子机器驱动的 DNA-金纳米粒子的二级和三级级联组装。通过实验发现 ,DNA序列的 toehold 长度和 DNA分子机器的摩尔比对构建性能稳定的多级组装体系具有十分重要的影响。DNA多层级联循环网络的构建有助于扩展复杂 DNA生物化学循环网络的应用。在第五章的研究中我们注意到 , 受限于金纳米粒子表面接枝

6、DNA序列特异性的影响 ,DNA-金纳米粒子复合探针只能针对特定的 DNA目标序列进行检测 , 因而使检测的复杂程度和成本大大提高 , 降低了实用性。针对该问题 , 在前期工作的基础上 , 我们构建了一种 DNA链替换催化循环体系与 DNA-金纳米粒子组装的二级串联网络。 上层的 DNA催化循环网络释放的 DNA连接链可以将下层的DNA-金纳米粒子组装体系串联起来。经过理论和实验对DNA序列设计进行优化后 , 该体系在单核苷酸多态性区分中表现优异。无论DNA目标链在任何位点发生单碱基错配, 插入 , 或者缺失 , 都可通过正常链和突变链的DNA链替换反应引起的金纳米粒子组装速率差异而进行有效的

7、区分。该方法不需要针对不同的DNA目标链重新设计 DNA-金纳米粒子复合物 , 节省了资金和时间成本。在前几章的研究体系中,DNA-金纳米粒子的组装动力学速率主要依赖于体系内toehold 长度以及序列组成进行调控, 而 pH,温度 , 以及光照等外部影响因素很难影响到体系的组装速率。为了增加DNA金-纳米粒子组装体系的调节因素从而对其进行更精确的调控,在本论文最后一章中通过引入C+-GC三链 DNA结构设计了一种 pH 响应的 DNA分子机器调控的金纳米粒子组装体系。通过调节体系中pH可以改变 DNA分子机器的构象 , 从而有效调控 DNA-金纳米粒子体系的组装动力学。综上 , 在本论文中构建的一系列DNA分子机器驱动的金纳