分钟量级快速组装的DNA纳米结构和纳米反应器

2013/02/08 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

上海应用物理所物理生物学研究室与苏州纳米所和丹麦奥胡斯大学合作,在DNA纳米折纸术研究方面取得了重要进展,相关结果在线发表于《美国化学会志》并于近期正式刊出(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 696-702)。该研究工作发展了一种分钟量级的快速DNA折纸术新方法,可一步组装出复杂纳米结构。利用该方法可制备具有纳米限域空间的DNA纳米反应器,实现了分子尺度可控定位的生物化学反应。

DNA纳米技术利用DNA分子的精确识别能力来构建可控纳米结构。2006年诞生的DNA折纸术(DNA origami)极大提升了研究者构建复杂DNA纳米结构的能力,其组装出的纳米结构的大小与复杂度可与天然生物分子机器相媲美,因此基于DNA折纸术来组装制备DNA纳米结构并实现功能应用,已成为当前的研究热点。

上海应用物理所的付衍明、曾冬冬等在樊春海和柳华杰研究员指导下,深入研究了DNA折纸术纳米结构的组装过程,发现仅用10分钟即可组装出分子量高达4.8M道尔顿的DNA纳米结构(与最大的天然生物分子机器核糖体相近)。DNA折纸术纳米结构涉及到两百多条DNA链之间在体外的识别和组装,因而通常认为其组装过程需要长达数小时乃至数天时间。这一发现提示DNA分子的体外组装过程实际上是高度协同而快速的。德国的一个研究组几乎在同时也发现了类似的现象,发表在Science杂志2012年12月6113期上 (Science, 2012, 338, 1458)。

以此为切入点,研究人员又将多个DNA长方形结构单体进一步组装复杂结构。通过这种两步组装可折叠出DNA纳米带和纳米管结构。例如,在长方形单体上添加横向连接链,可获得由多个单体横向连接成的DNA纳米带。而当添加纵向连接链时,则得到了由单个长方形自身卷曲形成的纳米管结构。这种短纳米管连接起来则构成了一个长达100纳米以上,直径精确可控的DNA纳米管。令人惊讶的是,这些复杂纳米结构实际上可直接由DNA链用一步法直接快速组装出来,而不需要经过长方形单体的过度,这进一步证明了DNA结构组装过程中的高度协同性。

DNA纳米管提供了一个精确可控的纳米限域空间,特别是DNA纳米结构精确到分子级的定位能力为在单分子尺度的研究及调控化学基团、酶、纳米粒子等的相互作用提供了可能。在此基础上,研究人员提出利用DNA折纸术纳米管构建纳米反应器的概念,并以两个单个酶分子,即葡萄糖氧化酶及过氧化氢酶组成的双酶偶联反应体系,作为模型进行了研究。结果表明,在DNA纳米管反应器中的酶反应,其效率远高于溶液中的自由扩散和反应,表明该反应器提供了一个高效的纳米限域空间。同时,这两个酶在反应器内的距离可在纳米尺度精确调控,因而可以有效调节酶的偶联反应过程。这种DNA纳米反应器将有望在酶工程、智能载药等领域获得更多的应用。(物理生物学研究室供稿)




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