上海应用物理研究所在框架核酸诱导精确矿化结构方面取得重要进展

2018/07/18 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

仿生纳米孔道结构的设计与构建目前已成为一个研究热点,并且为生物分析、合成化学和限域催化等提供了新的可能。中国科学院上海应用物理研究所研究员樊春海、亚利桑那州立大学教授颜颢等合作提出了一种框架核酸诱导的团簇预水解策略,将经典St?ber硅化学引入DNA结构体系,成功实现了精确可控的DNA——二氧化硅固态纳米结构的制备。该研究工作以Complex silica composite nanomaterials templated with DNA origami为题,于716日在线发表于《自然》杂志(Nature 2018, doi: 10.1038/s41586-018-0332-7)。

以蛋白质离子通道为代表的生物孔道结构在生物体内的传质、换能和信号传导过程中发挥着关键性作用。经典的蛋白质纳米孔结构精确,然而其可控性和稳定性限制了它的广泛应用;通过电子束刻蚀固态纳米孔道则面临着成本高、重复性差、通量低等问题。采用自组装DNA纳米结构来合成纳米孔道结构则具有可编程设计、成本低廉、通量高等优点。然而,DNA孔道结构的刚性和稳定性则又成为其广泛应用的障碍。因此,如何在维持DNA结构精确性的前提下提升其强度已成为DNA纳米技术领域的一个巨大挑战。樊春海团队近年来在发展精确自组装的框架核酸并应用于生物分子界面调控, 发展高灵敏生物传感检测和活细胞分析等方面取得了系列进展(JACS 2012, 134, 13148; Nature Chem, 2017, 9, 1056; Natl Sci Rev 2018, doi: 10.1093/nsr/nwx134)。在樊春海和颜颢指导下,上海应用物理研究所博士刘小果和博士研究生靖薪薪、亚利桑那州立大学博士张菲等合作,将框架核酸作为模板诱导团簇预水解,可以在纳米尺度上忠实地将DNA序列编码的自组装结构复制成具有刚性结构的精确二氧化硅构型,并且可以由二维平面结构拓展至三维框架、三维曲面结构、简单几何结构以至复杂有序结构。这一新策略一方面突破了传统硅化学合成在材料结构尺度上的限制,实现了纳米尺度的精确二氧化硅结构的制备;另一方面还能显著提高这种框架核酸的力学强度,使基于DNA的固态纳米孔在保持精确结构的同时还具备了更好的力学性能。这种框架核酸诱导的纳米孔道结构不仅精确、可控、稳定,而且价廉能大批量制造,为研究纳米孔道中的新奇物理、化学性质和分析应用提供了全新的工具。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部等的资助,并得到了上海光源的支持。(物理生物学研究室 供稿)


以框架核酸为模板的DNA——二氧化硅多级纳米孔
(a)框架核酸诱导的团簇预水解策略示意图 (b) 198碱基对三维框架核酸与预水解团簇反应的糙粒化分子动力学模型截面图 (c) 一种仿硅藻外壳单元的结构设计图  (d)(e)反应前框架核酸结构及反应后DNA——二氧化硅结构的溶液相原子力显微镜图 (f) 反应后DNA——二氧化硅结构的分组平均化透射电子显微镜图

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