DNA四面体纳米材料及其功能化研究进展

来源：核心期刊咨询网时间：2019-12-11 10:0212

摘要：摘 要 DNA四面体纳米材料具有较高的稳定性、良好的生物相容性及易于修饰等优点，在生物传感器、药物输送、生物成像和分离分析等领域得到了广泛的研究与应用。研究人员采用不同的设计方法，将特异性功能分子修饰在DNA 四面体顶点、DNA 四面体笼状结构内部、DN

　　摘 要 DNA四面体纳米材料具有较高的稳定性、良好的生物相容性及易于修饰等优点，在生物传感器、药物输送、生物成像和分离分析等领域得到了广泛的研究与应用。研究人员采用不同的设计方法，将特异性功能分子修饰在DNA 四面体顶点、DNA 四面体笼状结构内部、DNA双螺旋结构内部和DNA四面体边臂等位置，从而将DNA四面体的优势与修饰分子的特异性功能有机结合，实现DNA四面体材料的功能化。本文回顾了DNA纳米技术的发展历程，介绍了DNA四面体纳米材料的4种不同的功能化修饰方法及其研究应用现状，并展望了未来的发展趋势。

　　关键词 DNA纳米技术; DNA四面体; 功能化; 评述
 

　　1 引 言

　　DNA是由4种脱氧核苷酸组成的生物大分子，作为遗传信息的载体存在于细胞核内。1953年， Watson和Crick首次提出DNA双螺旋结构[1]。此后，能够进行高精确度碱基互补配对的DNA引起了研究者的关注，并逐渐在医学、遗传学、生态学等领域得到应用。纳米材料具有独特的电学、光学和磁学等特性，在家电、医药、环境保护、纺织工业等领域广泛应用。DNA可根据碱基互补配对的原则进行自组装，空间结构具有较高的可控度和精密度[2]，故易于组装成多种形态的DNA纳米材料，表现出许多独特的优点：(1)基于DNA组成的纳米材料易穿透带负电的细胞膜[3]; (2)相较于其它纳米材料普遍具有细胞毒性的问题，DNA纳米材料几乎没有细胞毒性[4]; (3)该类材料能较好地抵抗核酶作用，具有高稳定性; (4)该类材料功能化修饰位点丰富[5]，可根据不同需要修饰生物分子或荧光染料等。目前，以DNA为基础元件的DNA纳米技术备受关注[6]。 Raniolo等[7]用叶酸功能化的DNA八面体纳米笼分析了两种不同内化途径介导的细胞摄取过程; Liu等[8]设计了DNA纳米探针，用于细胞实时成像，并分析了线粒体中Ca2+及pH值的变化; Zhu等[9]通过在DNA纳米结构边缘结合对pH敏感的i-motif序列，构建了可逆运输水和铁氰化物的动态三维DNA纳米泵; Man等[10]将DNA纳米技术和正反馈化学反应相结合，实现了活性手性等离子体分子的自组装。

　　相比较经典且最简单的多面体，DNA四面体纳米材料可通过简单的自组装法合成。目前，一些综述文章也介绍了DNA四面体纳米材料及其应用进展。如Xie等[11]从生物传感器和药物输送两个方面回顾和总结了DNA四面体纳米材料在活细胞研究中的发展和应用; Wang等[12]综述了3种(1D、2D和3D)DNA纳米结构在疾病诊断和治疗方面的生物应用现状; Su等[13]对基于框架核酸(Framework nucleic acids，FNA)的生物传感器在电化学检测、光学检测和细胞内传感等方面应用的最新研究进展进行了阐述。为了更好地发挥DNA四面体纳米材料的优势，常需将DNA四面体纳米材料与特异性功能分子相结合。本文针对DNA四面体纳米材料的不同功能化方法及其应用进行了综述。

　　2 DNA纳米技术的发展历程及其合成和表征方式

　　2.1 DNA纳米技术的发展历程

　　1982年，紐约大学Seeman教授[14]发表了“结构纳米技术”的构想，提出不同于常规的线状双链DNA的十字叉状的Holiday结构。1983年，该团队设计出Holiday结构，并将其称为“四臂结”(Immobile nucleic acid junctions)[15]。1993年，Fu等[16] 改进了“四臂结”结构，形成了一种更加稳定的Double crossover(DX)结构。1998年，Winfree等[17]首次使用DX为结构基元组装出了二维平面网格结构，并使用原子力显微镜进行了证实。2006年，Rothemund等[18]开发了一种新的DNA自组装技术，称为DNA折纸术。利用此技术，Qian等[19]设计出了三角形、矩形、五角星和笑脸等多种DNA纳米结构，以及不对称图形“中国地图”的组装。Andersen等[20]通过将其应用到动态结构中，设计出了尾巴可摆动的“海豚”等形状。贾思思等[21]提出了“DNA 折纸术纳米反应器”的概念，对DNA 折纸术的调控组装做出了更进一步的探讨研究。2017年，Tikhomirov等[22]采用分层组装的方法获得了尺寸可控的DNA纳米结构，实现了不同图案的大尺寸DNA折纸的自组装。

　　根据材料性质及用途， 纳米结构通常有“自上而下”和“自下而上”两种组装方法。“自上而下”的方法是指通过光刻、研磨、腐蚀等刻蚀技术将较大尺寸(μm～cm级)的材料制备成目标尺寸的纳米结构，该技术统称为纳米刻印技术，其原理是在制备过程中，将单个纳米构筑单元放置在特定图形的位置上，通过相关技术便捷地制备出各种目标形貌的材料[23]。 如以扫描隧道显微镜为基础的刻印技术[24]和以原子力显微镜为基础的刻印技术[25]。“自下而上”的方法是将一些较小的、简单的结构单元(如原子、分子、纳米粒子等)通过相互作用力自组装形成相对较大且复杂的纳米级结构[26]，无需人工干预。

　　近年来，随着DNA纳米技术的快速发展，研究人员采用“自下而上”的自组装方法，合成了多种形状和大小各异的DNA纳米材料。相比较经典且最简单的多面体，DNA四面体可通过简单的自组装法合成，具有较强的稳定性、较低的细胞毒性、结构位点易于修饰等优点，被广泛应用于生物传感器[27，28]、基因载体[29]和药物输送[30，31]等领域。

　　2.2 DNA四面体纳米结构的合成及表征

　　DNA四面体是由4条相互配对的单链DNA构成，通常，需设计4条单链DNA的碱基序列，每条单链DNA的碱基数均分成3个小片段，每条单链的1个小片段与另一条单链的1个小片段互补杂交， 形成DNA四面体的1条边(图1)。每条单链DNA的5'和3'端交汇于四面体的顶点或在边上形成1个端口。交汇于顶点时，可在DNA单链的5'或3'端修饰特异性功能分子，实现DNA四面体功能化; 交汇于端口处时，可使用DNA连接酶将端口连接，也可用功能分子进行修饰[32]。同时，为了使形成的DNA四面体相邻的两条边都具有一定的夹角，保证DNA四面体结构能正确形成且具有一定的稳定性，每条单链DNA相邻的两个小片段之间，均含有1个或2个不与其它任何序列配对的碱基[33]。根据碱基互补配对的原则，将合成的4条单链DNA等量加入到缓冲液中，通过一步退火操作，4条单链即可自动互补杂交形成具有四面体形状的DNA 三维结构。

　　推荐阅读：《影像科学与光化学》(双月刊)创刊于1983年，由中国科学院理化技术研究所、中国感光学会主办。

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