【《DNA纳米技术的应用研究国内外文献综述》6100字】

DNA纳米技术的应用研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u29941DNA纳米技术的应用研究国内外文献综述 1313041.1与无机材料的自组装 1228141.2与蛋白质的自组装 322711.3DNA纳米结构在生物医药中的应用 52749参考文献 81.1与无机材料的自组装如前文所述，利用DNA纳米技术已经可以构建了一系列复杂的DNA纳米结构，并能对其几何形状、周期性、大小尺寸、手性、拓扑学等性质进行精确控制。而常规DNA纳米结构的检测手段仍是电泳、原子力显微镜、扫描隧道显微镜(Scanningtunnelingmicroscope,STM)以及冷冻电镜等，一旦将DNA纳米技术应用在诸如生物检测和生物分析中，这些常用手段略显乏力。为此，将DNA纳米结构的变化转化为可检测的荧光、颜色等物理信号，是DNA纳米技术迫切要解决的难题。无机纳米材料例如金属和半导体纳米粒子在光学、电学等领域具有巨大潜力，其中等离子材料(如金纳米粒子和银纳米粒子等)可以用来操纵光与物质相互作用。因此具有光学或电学效应的无机纳米材料与DNA纳米结构相结合来构建光电纳米器件，可能会是一个行之有效的方案。图1.9(A)DNA与金纳米粒子杂交进行检测原理图；(B)基于DNA酶和金纳米粒子的Pb2+比色传感器。无Pb2+时，金纳米粒子发生聚集，呈现蓝色；有Pb2+时，DNA酶切断DNA链，金纳米粒子分散，溶液呈红色。(C)将具有尖锐尖端的金纳米星均匀固定在矩形的DNA折纸二聚体上，Texasred染料附着在DNA折纸的交接处并作为拉曼信号分子，其表面的拉曼散射得到指数倍增强。(D)碳纳米管与标有FAM的凝血酶核酸适配体相结合。早在1996年Mirkin等人就报道了巯基化寡核苷酸分子在金纳米粒子上的自组装[69]，并将这种自组装应用到DNA的检测中。如图1.9A所示，修饰了金纳米粒子的单链DNA在遇到完全匹配的DNA单链后，金纳米粒子保持分散，溶液呈现红色；当加入非完全匹配的DNA单链，金纳米粒子会发生聚集，导致溶液颜色由红色变为蓝色。此方法可以检测低至皮摩尔级别的目标核酸分子，且具有单碱基错配分辨能力，并为DNA纳米技术在生物检测中奠定了方法学基础。当然除了DNA/RNA的检测，此方法还可以应用到更多目标物的检测。如图1.9B所示,Lu等人设计基于DNA酶为模板的金纳米粒子定向组装的Pb2+比色传感器[70]。当无Pb2+时，附着有金纳米粒子的DNA链之间相互杂交聚集在一起，溶液颜色为蓝色；当存在Pb2+时，会激活DNA链上DNA酶，切断DNA链，金纳米粒子无法聚集，发生红移，溶液颜色由蓝色变为红色。将DNA纳米结构与金纳米粒子相结合还可以作为成像工具。如图1.9C所示，Sen等人利用金纳米粒子与DNA折纸结构搭建星型二聚体，而放置在两个纳米星尖端之间的Texasred，其表面的拉曼散射得到指数倍增强，并且此种强度的拉曼散射已经可以应用于单个分子的特异性检测了[71]。这种组装在具有可控的纳米间隙的DNA折纸基板上的混合纳米天线，可成为一种经济高效且可重现的单分子传感平台，具有巨大的潜在应用前景。除了金属纳米颗粒，具有高效率荧光淬灭的碳纳米管也可以与DNA纳米技术连用。单链DNA能够非共价吸附缠绕在碳纳米管表面，因此标记了荧光团的单链DNA与碳纳米管相互作用时，荧光基团靠近碳纳米管，导致荧光淬灭；而双链DNA与碳纳米管结合力大大减弱，因此荧光基团远离碳纳米管表面荧光得以恢复。如图1.9D所示，Yang等人将标有FAM的凝血酶核酸适配体，通过非共价吸附在碳纳米管表面，导致其荧光淬灭。当凝血酶存在是，凝血酶核酸适配体与之结合发生折叠，从碳纳米管表面脱落下来，FAM荧光恢复，而该传感器检测限可达1.8nmol/L[72]。1.2与蛋白质的自组装由于蛋白质和DNA在纳米尺度上的匹配，DNA与蛋白质的共存性以及DNA的独立可编码性，都有助于蛋白质在纳米尺度上的构建和定向排布，而DNA自组装形成的特定纳米结构则成为理想支架。如图1.10A所示，Williams等人先把抗原(myc-epitope)固定在DNA纳米结构上，随后排布好的抗原与特定抗体(anti-myc9E10)结合，最终实现在纳米级层面上对抗体分子的精细操控排布[73]。除了应用于蛋白质的定向排布之外，DNA纳米技术同样有助于蛋白质的功能研究，是研究蛋白质相互作用和动力学的优异手段。马达蛋白是一类能在细胞内适宜的底物表面上移动并运输物质的重要蛋白，其中动力蛋白是在细胞微管上朝向“负端”(指向细胞中心)运输物质，而驱动蛋白-1的运输朝向与之相反。动力蛋白与驱动蛋白-1相结合，可以达到物质的双向运输。如图1.10B所示，Derr等人设计一种DNA纳米管支架，附着到动力蛋白和驱动蛋白-1上，研究两种运动蛋白的运转机制和协同行为[74]。通过控制DNA纳米管上的蛋白质数量和电机类型，他们发现如果连接相同极性的电机，蛋白数量多少对方向速度的影响最小；当安装了一组极性相反的电动机时，它们就陷入了拔河战役，通过更换其中一种电动机就可以解决。图1.10(A)抗原预先排布在DNA纳米结构上，通过抗体与抗原相结合，从而可在纳米层面上操控排布抗体。(B)使用DNA折纸控制两种运动蛋白的数量和位置，进行分子拉锯战研究。(C)DNA纳米管，用作耐去污剂的弱液晶定向介质，诱导膜蛋白的弱排列，有助于NMR结构确定。(D)DNA纳米圆柱体用作宿主蛋白的载体并控制其方向，从而在冷冻电镜下确定蛋白质的结构。此外，借助于核磁共振、X射线延伸或者冷冻电镜等分析手段，DNA纳米结构与蛋白质相结合还有助于蛋白质结构测定。膜蛋白作为一种重要的蛋白，通常采用液相核磁共振(NMR)光谱法来确定其三维结构。并且基于残留偶极耦合(ResidualDipolarCoupling,RDC)[75,76]的液相NMR可以解析最大40KDa(KiloDalton，千道尔顿)的膜蛋白结构，但此法需要耐去污剂(去污剂用于模拟膜蛋白的磷脂双分子层)的弱液晶定向介质。而现有的适用于水溶性蛋白的弱液晶定向介质很难与溶解膜蛋白的去污剂相容。如图1.10C所示，Douglas等人构建一种耐去污剂的0.8µm长的DNA纳米管，可用于诱导膜蛋白的弱定向排列[77]。7.3kb(kilobase，缩写kb)的支架链和170个短链组装成0.4µm长的六螺旋束，而DNA纳米管则是由六螺旋束构建的异二聚体。经过去污剂重构化的T细胞受体的跨膜结构域，以DNA纳米管作为弱液晶定向介质，进行NRM测试。根据测得的RDC确定跨膜结构域的高分辨结构，发现与先前确定的结构一致，证明DNA纳米结构有助于蛋白质结构解析。其实早在1982年，Seeman等人就提出以三维DNA晶体作为组织蛋白质的支架，来对蛋白质进行X射线晶体学分析研究[5]，而后续宏观DNA晶体[78,79]的成功构建使得借助DNA晶体确定蛋白质结构成为可能。近年来，冷冻电镜已经能以接近原子级别的分辨率来确定蛋白质结构。尽管蛋白质可以不用结晶就可以获得原子结构，但仍然难以确定小于200KDa的蛋白质结构，原因在于其尺寸较小难以从电子投射图像的背景噪声中被识别[80]。若将小的蛋白质颗粒固定于已知较大尺寸的DNA纳米结构上，则可以解决小的蛋白质定位难的问题。如图1.10D所示，Martin等人构建了一个中空圆柱体的DNA纳米结构，其中心具有可与转录因子p53结合的DNA双螺旋。通过DNA纳米圆柱体来收集蛋白质，不但避免了蛋白质在制样过程中的展开，还避免了蛋白质被吸附到空气-水界面上，并最终在冷冻电镜下获得了分辨率约为15Å的蛋白质结构[81]。1.3DNA纳米结构在生物医药中的应用在生物医药领域，DNA纳米结构由于其良好的生物相容性和可控的多变造型，被广泛应用于生物药载体。通常，以DNA纳米结构载药的靶点都是肿瘤细胞，但是在到达肿瘤细胞之前，需要先抵达指定的病变器官，此过程称为初级靶定。大多数威胁生命的癌症发生在脑、肺、肝、淋巴和骨骼中，载体的粒径和形状、其表面电荷和材料组成以及给药途径都会影响纳米粒子在特定器官中的定位[82]。DNA纳米技术可以精确组装尺寸明确的纳米结构，其尺寸范围从几纳米到100nm以上，该范围可以满足将目标物质递送到大多数器官(包括脑，肺，肝和肝)的大小要求。如表1.1所示，其表面的负电荷可能有利于将DNA纳米颗粒靶向递送至淋巴结等器官，但不利于肺和脑等器官。后一种情况可以通过针对DNA成熟且多样的化学修饰来解决，仅修饰DNA的几个成分链，即可完全改变DNA纳米结构的表面特性。例如，Shih和Lin等人都曾报道，对DNA进行巯基修饰并将DNA和脂质分子共价连接，从而使DNA纳米结构的表面极性由亲水性转变成疏水性[83]。除了化学修饰以外，合成的阳离子分子还对DNA具有较强的的亲和力，可能会将DNA纳米结构的表面电荷从负变正[84]。原则上针对不同特定器官，使用DNA纳米结构几乎可以满足几乎所有必要的条件，包括粒径、形状、表面性质和材料组成等等。表1.1将纳米颗粒递送到特定器官的一般注意事项靶向器官粒径(nm)表面性质脑5-100；穿透能力随粒径增长呈指数下降亲脂，中性肺＞200；大粒子捕获在肺毛细血管正表面电荷肝＜100；超过100，会被Kupffer细胞吸收无特定需求淋巴结6-34，肺内给药进入局部淋巴结；＜80，皮下注射，进入淋巴结非离子，无聚乙二醇修饰骨未知化合物如阿仑磷酸盐和天冬氨酸之类粘附在骨骼当作为载体的DNA纳米结构进入特定器官之后，能否高效率进入患病细胞甚至亚细胞区室成为载药成功的关键要素。细胞膜作为细胞的天然屏障，它对离子和有机分子具有选择性摄取并能控制物质在细胞内外的移动。纳米结构进入细胞中的途径的类型很大程度上取决于纳米结构的大小，并且DNA纳米结构的形状和三维排列对于细胞的有效吸收也起着关键作用。如图1.11A所示，Fan等人于2011年发现具有表面负电性DNA四面体(TDN)在无需转染剂的帮助下，可轻松进入不同类型的细胞[85,86]。这打破了先前的一个常识，即在没有转染剂的情况下，未经修饰的DNA纳米结构本身无法被细胞有效的吸收。由于细胞膜带有负电荷，因此同样具负电荷的DNA纳米结构会与细胞膜之间产生强烈的静电排斥作用，导致负电性的DNA无法以被动途径通过细胞膜，从而阻碍DNA纳米结构进入细胞。后续他们在Hela细胞中以荧光标记，证明了TDN是以能量依赖的内陷介导的内吞途径进入细胞膜，而不是被动途径[87]。而这些具有类似TDN的独特细胞特性的纳米结构，为基于核酸支架的纳米药物提供了新的思路。作为药物载体，DNA纳米结构的通过性能是必须的，但针对特定病变细胞的靶向特异性同样是不可或缺的一环。DNA纳米技术构建的纳米结构不仅可以承载药物，还可以携带官能团(例如小分子、配体和蛋白质等)来进行传感和靶定。通过化学修饰或者物理手段，DNA纳米结构与这些官能团相结合，继而在配体-受体识别帮助下靶向特定病变细胞。此外，以DNA纳米结构作为载体还具有额外特别的优势。如果被识别的受体不仅在病变细胞表达，同时也在正常细胞中表达，靶向单个受体将不可避免地引起非特异性药物摄取，从而导致对正常细胞的毒性以及降低抗癌功效。此时就需要双重或多重靶向来增加药物递送的特异性。而DNA纳米结构通常由几十到几百个组成链组成，原则上每个链都能修饰连接配体。如图1.11B所示，Sun等人用SL2B配体和叶酸同时修饰了TDN[88]。SL2B可以特异性靶向血管内皮生长因子(VEGF165)的肝素结合域(HBD)。HT-29癌细胞表面的VEGF和叶酸受体可以同时识别这种双重功能的TDN，从而起到双重靶向的作用。图1.11(A)DNA四面体的细胞摄取，转运和去向示意图；(B)带有两个修饰的DNA四面体双重靶向：SL2B适体和叶酸分子。(C)a，DENVED3群集的分布，病毒体的直径为50nm，三价-三价簇和三价-五价簇之间的正交距离分别为15.3nm和14.3nm；b，DNA星形支架设计成与ED3簇的样式和间距匹配，每条DNA链由从5'端到3'端的箭头表示，其中非杂交Poly-T区域用于在边缘之间形成角度，右侧是未与病毒配对的五角星支架的结构与其AFM图形。后续的研究表明，DNA纳米结构除了作为良好的药物载体，其自身在病毒的检测甚至预防上也能取得良好的效果。南京邮电大学Chao等人，构建了带有五个分子信标样基序的星形DNA结构，通过链接十个针对登革病毒适配体来精确匹配到登革病毒表面，起到有效抑制病毒的活性，并通过荧光输出实现病毒的检测[89]。如图1.11C所示，直径为50nm的登革病毒表面的ED3族群的分布呈现独特的几何图案，通过特定设计的五角星的DNA纳米支架，使之与病毒表面的ED3簇的样式和间距相匹配，在抗体与抗体蛋白特异性的结合下，精确的覆盖到病毒表面，实现病毒活性的抑制。此外该设计策略同样适用于其他致病性病原体的检测和抑制。不止于DNA生物检测、DNA计算和DNA生物载药，DNA水凝胶[90-92]、DNA分子机器[93-95]以及表面工程上的DNA纳米加工[96-98]等等。总之，DNA纳米技术是个冉冉升起的新兴领域，有这广阔的应用前期和研究价值，而这需要我们对DNA纳米技术进行更系统更深入的研究。参考文献ADDINEN.REFLIST1. Crick,F.;Watson,J.,Astructurefordeoxyribosenucleicacid.Nature1953,171(737-738),3.ADDINEN.REFLIST2. Smith,S.B.;Cui,Y.;Bustamante,C.,OverstretchingB-DNA:theelasticresponseofindividualdouble-strandedandsingle-strandedDNAmolecules.Science1996,271(5250),795-799.3. Hays,F.A.;Watson,J.;Ho,P.S.,Caution!DNAcrossing:crystalstructuresofHollidayjunctions.JournalofBiologicalChemistry2003,278(50),49663-49666.4. Liu,Y.;West,S.C.,HappyHollidays:40thanniversaryoftheHollidayjunction.NatureReviewsMolecularCellBiology2004,5(11),937-944.5. Seeman,N.C.,Nucleicacidjunctionsandlattices.Journaloftheoreticalbiology1982,99(2),237-247.6. Lin,C.;Liu,Y.;Rinker,S.;Yan,H.,DNAtilebasedself‐assembly:buildingcomplexnanoarchitectures.ChemPhysChem2006,7(8),1641-1647.7. Rothemund,P.W.,FoldingDNAtocreatenanoscaleshapesandpatterns.Nature2006,440(7082),297-302.8. Simmel,F.C.;Dittmer,W.U.,DNAnanodevices.Small2005,1(3),284-299.9. Beissenhirtz,M.K.;Willner,I.,DNA-basedmachines.Organic&biomolecularchemistry2006,4(18),3392-3401.10. Bath,J.;Turberfield,A.J.,DNAnanomachines.Naturenanotechnology2007,2(5),275-284.11. Li,Q.;Luan,G.;Guo,Q.;Liang,J.,Anewclassofhomogeneousnucleicacidprobesbasedonspecificdisplacementhybridization.Nucleicacidsresearch2002,30(2),e5-e5.12. Yurke,B.;Mills,A.P.,UsingDNAtopowernanostructures.GeneticProgrammingandEvolvableMachines2003,4(2),111-122.13. Mao,C.;Sun,W.;Shen,Z.;Seeman,N.C.,AnanomechanicaldevicebasedontheB–ZtransitionofDNA.Nature1999,397(6715),144-146.14. Liu,D.;Balasubramanian,S.,Aproton‐fuelledDNAnanomachine.AngewandteChemieInternationalEdition2003,42(46),5734-5736.15. Asanuma,H.;Liang,X.;Nishioka,H.;Matsunaga,D.;Liu,M.;Komiyama,M.,Synthesisofazobenzene-tetheredDNAforreversiblephoto-regulationofDNAfunctions:hybridizationandtranscription.Natureprotocols2007,2(1),203-212.16. Kang,H.;Liu,H.;Phillips,J.A.;Cao,Z.;Kim,Y.;Chen,Y.;Yang,Z.;Li,J.;Tan,W.,Single-DNAmoleculenanomotorregulatedbyphotons.Nanoletters2009,9(7),2690-2696.17. Ma,R.-I.;Kallenbach,N.R.;Sheardy,R.D.;Petrillo,M.L.;Seeman,N.C.,Three-armnucleicacidjunctionsareflexible.NucleicAcidsResearch1986,14(24),9745-9753.18. Wang,Y.;Mueller,J.E.;Kemper,B.;Seeman,N.C.,Assemblyandcharacterizationoffive-armandsix-armDNAbranchedjunctions.Biochemistry1991,30(23),5667-5674.19. Lilley,D.M.;Clegg,R.M.;Diekmann,S.;Seeman,N.C.;VonKitzing,E.;Hagerman,P.J.,Anomenclatureofjunctionsandbranchpointsinnucleicacids.Nucleicacidsresearch1995,23(17),3363.20. Fu,T.J.;Seeman,N.C.,DNAdouble-crossovermolecules.Biochemistry1993,32(13),3211-20.21. Li,X.;Yang,X.;Qi,J.;Seeman,N.C.,AntiparallelDNAdoublecrossovermoleculesascomponentsfornanoconstruction.JournaloftheAmericanChemicalSociety1996,118(26),6131-6140.22. Lukeman,P.S.;Mittal,A.C.;Seeman,N.C.,TwodimensionalPNA/DNAarrays:estimatingthehelicityofunusualnucleicacidpolymers.Chemicalcommunications2004,(15),1694-1695.23. Sa-Ardyen,P.;Vologodskii,A.V.;Seeman,N.C.,TheflexibilityofDNAdoublecrossovermolecules.Biophysicaljournal2003,84(6),3829-3837.24. Winfree,E.;Liu,F.;Wenzler,L.A.;Seeman,N.C.,Designandself-assemblyoftwo-dimensionalDNAcrystals.Nature1998,394(6693),539-544.25. Rothemund,P.W.;Ekani-Nkodo,A.;Papadakis,N.;Kumar,A.;Fygenson,D.K.;Winfree,E.,DesignandcharacterizationofprogrammableDNAnanotubes.JournaloftheAmericanChemicalSociety2004,126(50),16344-16352.26. Rothemund,P.W.;Papadakis,N.;Winfree,E.,Algorithmicself-assemblyofDNASierpinskitriangles.PLoSBiol2004,2(12),e424.27. LaBean,T.H.;Yan,H.;Kopatsch,J.;Liu,F.;Winfree,E.;Reif,J.H.;Seeman,N.C.,Construction,analysis,ligation,andself-assemblyofDNAtriplecrossovercomplexes.JournaloftheAmericanChemicalSociety2000,122(9),1848-1860.28.LaBean,T.H.;Winfree,E.;Reif,J.H.,Experimentalprogressincomputationbyself-assemblyofDNAtilings.2000.29. Yan,H.;Park,S.H.;Finkelstein,G.;Reif,J.H.;LaBean,T.H.,DNA-templatedself-assemblyofproteinarraysandhighlyconductivenanowires.science2003,301(5641),1882-1884.30. He,Y.;Tian,Y.;Chen,Y.;Deng,Z.;Ribbe,A.E.;Mao,C.,SequenceSymmetryasaToolforDesigningDNANanostructures.AngewandteChemie2005,117(41),6852-6854.31. He,Y.;Chen,Y.;Liu,H.;Ribbe,A.E.;Mao,C.,Self-assemblyofhexagonalDNAtwo-dimensional(2D)arrays.JournaloftheAmericanChemicalSociety2005,127(35),12202-12203.32. He,Y.;Tian,Y.;Ribbe,A.E.;Mao,C.,Highlyconnectedtwo-dimensionalcrystalsofDNAsix-point-stars.JournaloftheAmericanChemicalSociety2006,128(50),15978-15979.33. Zhang,C.;He,Y.;Chen,Y.;Ribbe,A.E.;Mao,C.,Aligningone-dimensionalDNAduplexesintotwo-dimensionalcrystals.JournaloftheAmericanChemicalSociety2007,129(46),14134-14135.34. Wei,B.;Dai,M.;Yin,P.,Complexshapesself-assembledfromsingle-strandedDNAtiles.Nature2012,485(7400),623-626.35. Brun,Y.;Gopalkrishnan,M.;Reishus,D.;Shaw,B.;Chelyapov,N.;Adleman,L.,BuildingblocksforDNAself-assembly.Proceedingsofthe1stFoundationsofNanoscience:Self-AssembledArchitecturesandDevices,FNANO2004,4.36. Li,Z.;Wei,B.;Nangreave,J.;Lin,C.;Liu,Y.;Mi,Y.;Yan,H.,Areplicabletetrahedralnanostructureself-assembledfromasingleDNAstrand.JournaloftheAmericanChemicalSociety2009,131(36),13093-13098.37. Mathieu,F.;Liao,S.;Kopatsch,J.;Wang,T.;Mao,C.;Seeman,N.C.,Six-helixbundlesdesignedfromDNA.Nanoletters2005,5(4),661-665.38. Seeman,N.C.,Constructionofthree-dimensionalstickfiguresfrombranchedDNA.DNAandcellbiology1991,10(7),475-486.39. Shih,W.M.;Quispe,J.D.;Joyce,G.F.,A1.7-kilobasesingle-strandedDNAthatfoldsintoananoscaleoctahedron.Nature2004,427(6975),618-621.40. Goodman,R.P.;Heilemann,M.;Doose,S.;Erben,C.M.;Kapanidis,A.N.;Turberfield,A.J.,Reconfigurable,braced,three-dimensionalDNAnanostructures.Naturenanotechnology2008,3(2),93-96.ADDINEN.REFLIST41. Aldaye,F.A.;Sleiman,H.F.,DynamicDNAtemplatesfordiscretegoldnanoparticleassemblies:controlofgeometry,modularity,write/eraseandstructuralswitching.JournaloftheAmericanChemicalSociety2007,129(14),4130-4131.42. Aldaye,F.A.;Sleiman,H.F.,Guest-mediatedaccesstoasingleDNAnanostructurefromalibraryofmultipleassemblies.JournaloftheAmericanChemicalSociety2007,129(33),10070-10071.43. Aldaye,F.A.;Sleiman,H.F.,Modularaccesstostructurallyswitchable3DdiscreteDNAassemblies.JournaloftheAmericanChemicalSociety2007,129(44),13376-13377.44. He,Y.;Ye,T.;Su,M.;Zhang,C.;Ribbe,A.E.;Jiang,W.;Mao,C.,Hierarchicalself-assemblyofDNAintosymmetricsupramolecularpolyhedra.Nature2008,452(7184),198-201.45. Zhang,C.;Su,M.;He,Y.;Zhao,X.;Fang,P.-a.;Ribbe,A.E.;Jiang,W.;Mao,C.,Conformationalflexibilityfacilitatesself-assemblyofcomplexDNAnanostructures.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences2008,105(31),10665-10669.46. Ke,Y.;Ong,L.L.;Shih,W.M.;Yin,P.,Three-dimensionalstructuresself-assembledfromDNAbricks.science2012,3