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JACS:南京大学实现横向DNA双链环的平行纳米组装

2014/09/03 来源:南京大学
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导读
南京大学化学化工学院、配位化学国家重点实验室的肖守军教授课题组最近采用小环DNA(64和96个碱基的小环)作为新模块,分别使用3~6条短的直链DNA作为铰链,跨越两至三个DNA小环,实现了横向DNA双链环的平行组装而构成纳米管,这一最新研究成果发表在近期的《美国化学会志》杂志上。

上图为两条不同序列的96碱基的DNA小环(C1和C2)在6条不同序列的短链作铰链的辅助下构建的DNA纳米管(NT1)及其相应的原子力显微镜图,管径10纳米,管长1~15微米;下图为一条96碱基的DNA小环在3条不同序列的短链作铰链的辅助下构建的DNA纳米管(NT3)及其相应的原子力显微镜图,管径10纳米,管长0.1~0.5微米。

DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)纳米组装技术及应用,是近年来纳米材料领域迅猛发展的一个新方向。该研究主要利用DNA和RNA分子构建可操控的纳米结构或器件,将其应用于药物传输、合成生物学、生物传感、纳米机器、量子自动格点机、纳米存储等,DNA和RNA纳米技术在生物学、化学、物理学、计算机等多个学科领域具有广阔的应用前景。

南京大学化学化工学院、配位化学国家重点实验室的肖守军教授课题组在国家重大科学研究计划和自然科学基金等项目资助下,最近采用小环DNA(64和96个碱基的小环)作为新模块,分别使用3~6条短的直链DNA作为铰链,跨越两至三个DNA小环,实现了横向DNA双链环的平行组装而构成纳米管(J. Am. Chem. Soc. 2014,136, 10194-10197),这一最新研究成果以论文的形式发表在近期的《美国化学会志》杂志上。

而之前的研究中,DNA自组装纳米技术主要使用直链DNA为基本原料。由于DNA小环(几十到两百个碱基左右)在生命体系具有特殊的意义,它是基因重组、交换、表达等生物功能的关键中间体之一。小环DNA还是理想的几何拓扑学的研究对象,科学家们从理论和实验上研究了它特有的扭曲、弯曲、扭结、刚性、和离解等力学性能。

基于DNA双链小环在溶液里的刚性,该课题组提出了利用DNA小环作为刚性基元构筑纳米结构的设想。与以前使用的径向DNA双链构成的纳米管不同,环状DNA构成的纳米管的管径均一且可控,管壁的封闭性好,DNA小环本身不易被酶降解。这些特点可能使环状DNA构成的纳米管在药物传输、基因上调或下调、基因表达、疾病诊断和治疗上得到应用。

在此之前,他们还报道了光控嵌入偶氮苯人造DNA机器(Small, 2013, 9, 3939-3943),具有重复单元的滚环扩增(Rolling Circle Amplification)DNA长单链的折纸技术(J. Am. Chem. Soc.2013,135, 2959-2962),以及滚环转录(Rolling Circle Transcription)RNA长单链的折纸技术(Chem. Commun., 2014, 50, 2100-2103),极大地降低了DNA或RNA纳米结构的应用成本。
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