dna納米自組裝技術(shù)研究進(jìn)展

dna納米自組裝技術(shù)研究進(jìn)展

dna是脫氧核糖（abu）的簡(jiǎn)稱，是一種重要的脫氧核糖聚合物。每個(gè)準(zhǔn)分酸由三種成分組成：脫氧核糖（戊糖）、磷酸和氮堿基。不同的氨基酸堿基是堿基。有兩種堿基酪氨酸，包括5-磷酸和牛仔布（g），吡啶類包括硝基吡啶（g）和胸腺吡啶（t）。磷酸之間通過磷酸二甲酯鍵連接，即5-磷酸羥基和其他羥基羥基形成共價(jià)鍵。這兩個(gè)亞鏈可以通過堿性基對(duì)之間的氫鍵進(jìn)行反向組合，形成兩個(gè)鏈對(duì)的原則。a（或t）和其他鏈（或a）的反應(yīng)是兩個(gè)氫鍵。一個(gè)鏈的c（或g）和另一個(gè)鏈（或c）的反應(yīng)是三個(gè)氫鍵。在大多數(shù)情況下，兩個(gè)互補(bǔ)的d-單鏈?zhǔn)怯沂致菪Y(jié)構(gòu)中親水磷酸和糖基的骨架，以及稀疏水中的氮和堿基的兩個(gè)部分。堿基的平面與螺旋的螺旋軸垂直，螺旋旋結(jié)構(gòu)寬2nm，螺距3.5m。這些性質(zhì)決定了設(shè)計(jì)中最低磷酸分子的適應(yīng)性，因?yàn)榱姿岱肿渔溨g有嚴(yán)格的堿性配合原則。在dna結(jié)構(gòu)中，堿基之間的氫鍵固定在一起，并且鈉鏈之間的距離保持不變。因此，堿性組合應(yīng)遵循堿性組合的原則，這意味著以堿性分子為基礎(chǔ)的自組裝必須嚴(yán)格可靠、易于重復(fù)。DNA納米技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)之一就是我們可以隨心所欲地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),使得單獨(dú)的DNA序列能夠按照設(shè)計(jì)組裝形成我們想要的結(jié)構(gòu).在整體大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,目前有3個(gè)比較常用的方法:(1)模塊結(jié)構(gòu)組裝(tile).此方法的設(shè)計(jì)理念在于,將目標(biāo)結(jié)構(gòu)分解成更小的結(jié)構(gòu)單元,利用每個(gè)結(jié)構(gòu)單元里核酸鏈直接的強(qiáng)作用力以及結(jié)構(gòu)單元之間略弱的作用力,使得整個(gè)結(jié)構(gòu)得以形成.一般可以用來組裝周期性重復(fù)的結(jié)構(gòu),而且這種策略給DNA計(jì)算提供了一個(gè)非常好的平臺(tái).在DNA折紙術(shù)出現(xiàn)之前這個(gè)方法一直是主流的自組裝方法.(2)折疊結(jié)構(gòu)組裝.不同于模塊結(jié)構(gòu)組裝,DNA折紙術(shù)(DNAorigami)的方法利用一條足夠長(zhǎng)的DNA單鏈為模板,來回折疊形成一個(gè)大的模型,同時(shí)利用互補(bǔ)的短鏈來固定并形成特有的機(jī)構(gòu).(3)動(dòng)態(tài)組裝.這個(gè)方法意在直接控制DNA自組裝的動(dòng)力學(xué),通常利用發(fā)卡結(jié)構(gòu)(haripin)作為反應(yīng)的出發(fā)點(diǎn),不斷利用單鏈區(qū)(toehold)的鏈取代進(jìn)行串聯(lián)反應(yīng)并最終得到反應(yīng)產(chǎn)物.這個(gè)方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)控制上,這也是不同于上面兩種組裝方式的一點(diǎn).下面我們就這3種方法對(duì)DNA納米技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀做簡(jiǎn)單介紹.1模塊組合的納米納米結(jié)構(gòu)1.1holida交叉結(jié)DNA堿基序列的多樣性以及互補(bǔ)DNA序列之間的特異性結(jié)合賦予了其在生物學(xué)上的許多已知或未知的重要功能.通常情況下,DNA以線性雙螺旋結(jié)構(gòu)存在,從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看,其中心軸不存在分支.1964年,美國(guó)科學(xué)家RobinHolliday為解釋同源重組提出了著名的Holliday模型.同源重組時(shí),兩個(gè)DNA雙螺旋同源鏈的相應(yīng)位點(diǎn)產(chǎn)生單鏈斷裂,切口產(chǎn)生的游離末端可以移動(dòng),每條鏈都脫離其配對(duì)鏈并與另一雙螺旋中的互補(bǔ)鏈配對(duì),形成一種特殊的雙螺旋交叉結(jié)構(gòu),即Holliday交叉結(jié).Holliday模型的提出不僅推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展,同時(shí)也觸發(fā)了DNA納米技術(shù)領(lǐng)域的研究靈感.1983年,Seeman研究小組首次在溶液中組裝出穩(wěn)定的(不會(huì)發(fā)生與基因重組過程中類似的分支遷移現(xiàn)象)Holliday分支結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)由4條短鏈DNA相互雜交形成四臂結(jié)構(gòu),每條臂上包含8個(gè)堿基對(duì),如圖1(a)所示.他們依據(jù)DNA結(jié)構(gòu)在聚丙烯酰胺凝膠中的電泳淌度以及DNA熱變性所引起的紫外增色效應(yīng)等,驗(yàn)證了所形成的分支DNA結(jié)構(gòu).Holliday交叉結(jié)的成功設(shè)計(jì),為組裝具有空間復(fù)雜性的DNA納米結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ).1.2存在于dae和dapon的雙交叉結(jié)結(jié)構(gòu)DX模塊是指兩條并置的雙螺旋DNA通過兩個(gè)Holliday交叉結(jié)連接成一體的特殊DNA結(jié)構(gòu).較之普通的DNA雙螺旋,DX模塊的結(jié)構(gòu)剛性大大增加,因此適合于構(gòu)造具有空間復(fù)雜性的DNA納米結(jié)構(gòu).1993年,Fu和Seeman報(bào)道了關(guān)于DX模塊的設(shè)計(jì)和組裝方面的工作.他們一共設(shè)計(jì)了5種不同結(jié)構(gòu)的DX模塊:DAE(反平行,結(jié)間距離為偶數(shù)個(gè)half-turn),DAO(反平行,奇數(shù)個(gè)half-turn),以及3種平行取向的DX結(jié)構(gòu)DPE、DPOW和DPON.聚丙烯酰胺凝膠電泳顯示:3種平行取向(DNA鏈經(jīng)過交叉結(jié)進(jìn)入另一條雙螺旋后不改變其走向)的DX分子不太穩(wěn)定容易解鏈或者形成多聚體,而兩種反平行DX模塊(即DAE和DAO)則能以穩(wěn)定的雙交叉結(jié)形式存在(圖1(b)).DX模塊由兩個(gè)4臂交叉結(jié)(Holliday交叉結(jié))構(gòu)成,可以設(shè)計(jì)黏性末端實(shí)現(xiàn)不同DX模塊之間的特異性結(jié)合,進(jìn)而組裝得到周期性的一維或二維DNA晶格結(jié)構(gòu).在DX模塊的基礎(chǔ)上,研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)了含有不同DNA雙螺旋數(shù)目的組裝模塊,以滿足構(gòu)建更為復(fù)雜多變的DNA納米組裝結(jié)構(gòu)的需要.2000年Labean等人報(bào)道了含有3個(gè)DNA雙螺旋區(qū)域的交叉結(jié)組裝模塊(圖1(c)),以該模塊作為基本單元,組裝得到周期性、結(jié)構(gòu)可控的DNA二維晶體.2005年Adleman研究組設(shè)計(jì)了含有4個(gè)雙螺旋區(qū)域的組裝模塊(圖1(d)),模塊之間可通過黏性末端相互連接得到了具有較小孔洞面積和較高DNA面密度的二維平面結(jié)構(gòu).同年,Seeman研究組報(bào)道了一種含有6個(gè)DNA雙螺旋的交叉結(jié)組裝模塊,并基于合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到DNA納米管和二維陣列結(jié)構(gòu).1.3角形模塊對(duì)于簡(jiǎn)單的四臂Holliday交叉結(jié),由于每條臂均為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)剛性較弱,通常情況下并不適合用作納米結(jié)構(gòu)的組裝模塊.在此基礎(chǔ)上,Yan等人于2003年設(shè)計(jì)了含有4個(gè)四臂交叉結(jié)的十字形組裝模塊,如圖1(e)所示.十字模塊的每條臂均由兩個(gè)DNA雙螺旋通過一個(gè)交叉結(jié)連接組成,其增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)剛性有利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和組裝.隨后Mao研究組對(duì)十字模塊進(jìn)行了延伸,設(shè)計(jì)了剛性的三角形模塊,由3個(gè)等同的Holliday交叉結(jié)兩兩融合而成(圖1(f)).三角形的每個(gè)頂點(diǎn)均為四臂交叉結(jié)每個(gè)Holliday交叉結(jié)的兩條臂對(duì)應(yīng)三角形的兩條邊另外兩條臂可以用來設(shè)計(jì)黏性末端.三角形的三條邊長(zhǎng)度相等且具有較強(qiáng)的剛性,在此限定下,其3個(gè)內(nèi)角都為60°,具有特殊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.2005年,Mao研究組設(shè)計(jì)了三點(diǎn)星狀模塊.該模塊由3條DNA相互纏繞而成,可看作十字模塊的一個(gè)變體(圖1(g)).其中心處延伸出3個(gè)分支,每個(gè)分支由兩條DNA雙螺旋通過Holliday交叉結(jié)連接而成.通過控制3個(gè)分支在中心連接處的柔性,該模塊可被組裝成DNA平面陣列或多面體結(jié)構(gòu).該模塊的設(shè)計(jì)很好地體現(xiàn)了序列對(duì)稱性的設(shè)計(jì)思想,能夠一步、高效地形成所期望的平面或三維多面體結(jié)構(gòu).除三點(diǎn)星和四點(diǎn)星(即十字模塊)之外,五點(diǎn)星和六點(diǎn)星結(jié)構(gòu)模塊也被成功用于DNA納米結(jié)構(gòu)的組裝.除了在復(fù)雜性方面的嘗試以外,Mao研究組利用回文結(jié)構(gòu)對(duì)DX模塊進(jìn)行了對(duì)稱化的簡(jiǎn)單處理,只利用兩條鏈就能形成二維結(jié)構(gòu),在去掉曲終的一條側(cè)鏈以后,剩下的結(jié)構(gòu)依然可以自組裝,只是由于缺乏更多剛性束縛,結(jié)構(gòu)變成了管狀.1.4大尺寸組合結(jié)構(gòu)的生成值得一提的是,Yin等人在2008年利用兩對(duì)互補(bǔ)序列構(gòu)成一條四區(qū)域長(zhǎng)鏈(圖2(a)),然后把這條鏈作為一個(gè)單鏈模塊(他們稱之為single-strandedtileSST)進(jìn)行自組裝,如圖2(b)示,結(jié)果顯示即使是這么簡(jiǎn)單的單鏈模塊也能很好地形成大的結(jié)構(gòu),組裝的圖形包括了納米帶和納米管兩種,同時(shí)可以通過控制參與組裝的tile種類來控制他們的寬度,如圖2(c所示.2012年,Yin研究組發(fā)展了以SST為基礎(chǔ)的大平面組裝,和DNA折紙術(shù)一樣,這個(gè)方法也不需要反應(yīng)物嚴(yán)格控制計(jì)量比和純度,但是作為以短鏈結(jié)構(gòu)SST作為組裝基元的方法,沒有中心長(zhǎng)鏈的支撐,也可以得到純度和效率都很高的產(chǎn)物,讓大家開始重新考慮tile組裝的原理(圖3(a)).2013年Ke等人就在這個(gè)概念的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步得到三維的組裝結(jié)構(gòu),如圖3(b).2基于成核鏈的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的我國(guó)dna紙媒在tile自組裝中,多數(shù)都是通過DNA先形成一個(gè)穩(wěn)定的可編碼tile模塊,然后再進(jìn)一步組裝出高級(jí)結(jié)構(gòu)的,這一過程又稱為層次自組裝(hierarchicalassembly),與之相對(duì)的就是成核自組裝(nucleationassembly),即整個(gè)組裝過程中圍繞某些成核點(diǎn)一次進(jìn)行.這一組裝其實(shí)也是tile組裝的延伸,主要是利用tile進(jìn)行的算法自組裝,這部分工作的主要初衷是打算通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)來完成數(shù)學(xué)運(yùn)算,它起源于1994年Adleman成功地用DNA一維自組裝解決了7頂點(diǎn)的漢密爾頓路徑問題.隨后LaBean的異或運(yùn)算,Yan等人用拷貝運(yùn)算得到的一維條形碼等,都是這些工作的延續(xù).2004年,Shih等人首次把成核鏈用于構(gòu)造圖形,他們用一條DNA單鏈配合另外5條較短的互補(bǔ)鏈,形成了一個(gè)八面體的結(jié)構(gòu).2006年,Rothemund基于這個(gè)思想,使用一條長(zhǎng)達(dá)7249個(gè)堿基的單鏈DNA作為骨架鏈,加上用來綁定的輔助鏈,構(gòu)建了一個(gè)完整充實(shí)的二維結(jié)構(gòu).然后通過設(shè)計(jì)不同的輔助鏈,Rothemund成功地用DNA折紙術(shù)得到了方形、矩形、五角星、笑臉以及兩種不同的三角形(圖4).最初Rothemund設(shè)計(jì)的這些結(jié)構(gòu)都是平面實(shí)心的對(duì)稱的圖形,后來上海交通大學(xué)和上海應(yīng)用物理研究所合作用DNA折紙術(shù)做出了一個(gè)中國(guó)地圖的形狀(圖5),這是第一個(gè)非對(duì)稱性的圖形.而后沿著這個(gè)方向,三維DNA折紙術(shù)開始被研究人員所重視,2009年Andersen等人利用DNA折紙術(shù)折出了一個(gè)六面體的空心盒子;Ke等人也用類似的方法得到了一個(gè)空心四面體.兩者不同在于,前者是把六面體的每個(gè)面都單獨(dú)折疊,而后者是采用的整體化設(shè)計(jì).同時(shí),William小組[23~27]構(gòu)造了更多的三維實(shí)心圖形,包括多面體和有孔三維結(jié)構(gòu)等很多精確控制的結(jié)構(gòu),與最初的Rothemund的二維設(shè)計(jì)不同的地方在于,輔助鏈被從32個(gè)堿基降到了21個(gè)堿基,這樣就避免了每3個(gè)turn就多余0.5堿基的扭力積累,同時(shí)褶皺狀的排布還可以有效地降低核酸鏈之間的靜電斥力.2011年,Yan研究組跳開剛性點(diǎn)陣模型,只通過支架結(jié)構(gòu)來定義目標(biāo)物體的特征,通過調(diào)節(jié)DNA結(jié)構(gòu),構(gòu)建連接構(gòu)架非常完美地在3D表面上達(dá)到了修改細(xì)微曲率的任務(wù).這一方法指出單純通過改變交叉連接點(diǎn)之間核苷酸的數(shù)目和交叉位置就能設(shè)計(jì)出不同的二維結(jié)構(gòu),同樣這樣改變也適用于平面內(nèi)外曲率的結(jié)構(gòu)構(gòu)造中.最終他們以構(gòu)建同心環(huán)結(jié)構(gòu)的方式,與非B型構(gòu)型DNA結(jié)合,得到了很多精巧的結(jié)構(gòu)(圖6),比如球體、半球體、橢圓殼形以及納米花瓶,這次突破給DNA折紙術(shù)三維自組裝掀開了新的篇章.3動(dòng)態(tài)dna納米技術(shù)動(dòng)態(tài)DNA納米組裝主要是指建立具有動(dòng)態(tài)功能的核苷酸體系,比如DNA計(jì)算和DNA機(jī)械運(yùn)動(dòng)DNA組建的納米機(jī)械裝置是指通過改變條件從而使DNA復(fù)合物的構(gòu)型發(fā)生變化,是一種特殊形態(tài)的納米機(jī)器人.1999年Mao等人利用改變?nèi)芤篵uffe促使B-DNA和Z-DNA構(gòu)型的相互改變.隨后Bernard研究組設(shè)計(jì)了一種以DNA為能量來源的分子鑷子.2002年Yan等人設(shè)計(jì)了另外一種DNA機(jī)器來界定PX構(gòu)型與JX2構(gòu)型之間的轉(zhuǎn)換.同時(shí)這些DNA組裝的納米器件還被賦予了運(yùn)輸?shù)墓δ芡ㄟ^結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)功能性貨物的運(yùn)輸[32~34]除了構(gòu)型轉(zhuǎn)換和模擬開關(guān)這兩類納米器械以外,還有一種很新穎的納米裝置就是DNAwalker,這類裝置是指DNA納米機(jī)器沿著特定的方向有序行走,其中包括很多策略.最初的設(shè)計(jì)者通過手動(dòng)加入指示鏈達(dá)到使DNAwalker行走的目的,而后,Tian等人和Bath等人分別設(shè)計(jì)了通過脫氧核酶或限制性內(nèi)切酶來消除walker通行的障礙,這樣DNA就可以順著預(yù)定的方向自發(fā)地移動(dòng).隨后DNAwalker的行走方向從線性方向被拓展到二維平面.需要指出的是,DNAwalker這樣的納米機(jī)械被有機(jī)合成方面的學(xué)者敏銳地利用起來作為多步化學(xué)合成的指示器,這類反應(yīng)也就被稱為DNA指導(dǎo)的化學(xué)合成.正因?yàn)閯?dòng)態(tài)DNA納米技術(shù)在機(jī)械裝置方面的獨(dú)特性質(zhì),使得越來越多的研究人員開始從DNA靜態(tài)結(jié)構(gòu)的自組裝方向向DNA機(jī)械組裝方向拓展,這些裝置包括電路、催化放大器、自動(dòng)分子馬達(dá)和可重構(gòu)納米結(jié)構(gòu).而在這些裝置里,最常用的反應(yīng)模式就是鏈取代反應(yīng),圖7可以簡(jiǎn)單說明此反應(yīng)的原理和應(yīng)用.鏈取代反應(yīng)是指與目標(biāo)序列完全或者部分互補(bǔ)匹配的DNA鏈,取代其中一條預(yù)雜交好的DNA鏈的過程,反應(yīng)是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)過程.此反應(yīng)過程起始于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的單鏈區(qū)(toehold),目標(biāo)DNA通過分支遷移可以取代掉預(yù)雜交的一條DNA鏈.而被取代下來的DNA鏈同樣可以作為下一個(gè)鏈取代反應(yīng)的啟動(dòng)鏈,這樣的串聯(lián)控制就形成了一個(gè)以鏈取代反應(yīng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而使得復(fù)雜的計(jì)算機(jī)計(jì)算和信息處理成為可能.同時(shí),鏈取代反應(yīng)可以在恒溫條件下發(fā)生.鏈取代可以用來設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算的分子邏輯門,不同于傳統(tǒng)的電子器件計(jì)算機(jī),分子計(jì)算機(jī)使用特定的化合物的濃度作為信號(hào)的輸入輸出,在核酸的鏈取代通路里,信號(hào)可以被視作某一條參與了鏈取代反應(yīng)的DNA單鏈的濃度,通過取代和被取代,這條鏈會(huì)被消耗或者釋放,從而達(dá)成輸出信號(hào)的控制.這個(gè)方法所設(shè)計(jì)的邏輯門包括與門(AND)或門(OR)和非門(NOT).在這些研究的基礎(chǔ)上Winfree研究組提出了以DNA構(gòu)建的可以對(duì)0到15實(shí)現(xiàn)開方運(yùn)算的四比特分子通路,在他們的體系里核心的序列是一條130個(gè)堿基的DNA單鏈,如圖8所示.除此之外,鏈取代也可以被用來組裝動(dòng)態(tài)的納米結(jié)構(gòu).首先使用DNA分子發(fā)卡作為反應(yīng)物,這樣和取代鏈反應(yīng)后即使被結(jié)構(gòu)打開,依然沒有從反應(yīng)物中分離,DNA分子發(fā)卡中被打開的一部鏈可以作為啟動(dòng)鏈繼續(xù)打開新的反應(yīng)物.這個(gè)反應(yīng)也可以用來構(gòu)建簡(jiǎn)單的三臂、四臂交叉結(jié)和樹枝狀大分子.DNA組裝的納米器件除了被發(fā)展成具有運(yùn)輸和計(jì)算作用的機(jī)器以外,還具有智能控制納米裝置的能力,并且可以使更多的裝置表現(xiàn)出強(qiáng)大的功能性[45~47].例如,可以在DNAorigami模板上通過控制DNA機(jī)器的起始狀態(tài)從而完成對(duì)其運(yùn)行過程的精確控制,這種可以通過設(shè)計(jì)來調(diào)控的自動(dòng)移動(dòng)可視為DNA納米級(jí)別的“生產(chǎn)線”;為了實(shí)現(xiàn)更多的功能化納米機(jī)器,有研究組利用設(shè)計(jì)的分子機(jī)器人(類似于DNAwalker的原理)在DNAorigami模板上實(shí)現(xiàn)“起、承、轉(zhuǎn)、?！钡裙δ?這種被稱為分子蜘蛛的機(jī)器極大地豐富了DNA納米器件的應(yīng)用性,同時(shí)也向大家展示了人為設(shè)計(jì)的可控性所能實(shí)現(xiàn)的功能化作用.4納米dns技術(shù)的應(yīng)用4.1動(dòng)態(tài)dna納米技術(shù)以DNA自組裝圖形為模板或襯底,通過各種修飾或反應(yīng),構(gòu)成小分子或顆粒的特異或非特異的納米級(jí)別精確排布有諸多優(yōu)點(diǎn):能排布的對(duì)象多,包括各種生物分子與納米顆粒,原則上只要能與DNA鏈發(fā)生反應(yīng)即可;DNA自組裝圖形都是納米級(jí)別分辨率,與宏觀的排布形成鮮明對(duì)比;能夠精確定位,參與自組裝的往往有多條鏈,在哪條鏈上做修飾,最終就在哪里排布;操作相對(duì)簡(jiǎn)單,因?yàn)镈NA模板是自底向上自組裝的,唯一要解決的就是排布對(duì)象與DNA的連接問題.(1)核酸.首先就是利用DNA的自組裝模板對(duì)核酸進(jìn)行功能化排布.2005年Lund等人在4×4til形成的田字形網(wǎng)格上面伸出寡核苷酸鏈,采用鏈霉親和素標(biāo)記的方法在AFM下觀察,平均效率達(dá)64%2008年Ke等人開發(fā)了DNA折紙芯片,通過V字形探針的設(shè)計(jì)方式,能夠在AFM下直接檢測(cè)到雜交結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)無標(biāo)記的檢測(cè).之后他們還專門討論了探針的位置效應(yīng).除了排布簡(jiǎn)單的DNA探針實(shí)現(xiàn)檢測(cè),另一個(gè)有趣而實(shí)用的方向是把DNA自組裝圖形和DNA納米器件結(jié)合起來,構(gòu)造可尋址的功能性核酸鏈陣列,這部分的應(yīng)用我們?cè)趯?duì)動(dòng)態(tài)DNA納米技術(shù)一節(jié)里已有較為詳細(xì)的介紹.(2)蛋白質(zhì).2003年,Yan等人在發(fā)明4×4til的文章中首次報(bào)道在DNA自組裝圖形上排布了鏈霉親和素蛋白.兩年后,Park等人使用兩種tile構(gòu)圖簡(jiǎn)單地控制了鏈霉親和素的位置和距離.此后不久他又進(jìn)一步做出4×4的有限網(wǎng)格,并在上面特異的地方修飾鏈霉親和素,顯示出“DNA”的字樣,充分體現(xiàn)了對(duì)蛋白位置的可控性.由于核酸適配體本身也是核酸構(gòu)成的,所以連接在DNA自組裝結(jié)構(gòu)中非常方便,目前一般是用它來結(jié)合蛋白.2005年,Liu等人通過在TX的莖環(huán)上連TBA,實(shí)現(xiàn)了凝血酶的一維排布.2007年,Chhabra等人把多種蛋白在同一個(gè)DNA模板上(包括DX-array和折紙術(shù)矩形)進(jìn)行特異性可編碼排布.一年后,Rinker等人用同樣的方法,通過控制核酸適配體間的距離,使兩個(gè)核酸適配體結(jié)合一個(gè)蛋白(稱為多價(jià)結(jié)合,multivalentbinding),并進(jìn)一步把它與單價(jià)結(jié)合的親和力進(jìn)行比較.還有一種方法就是利用共價(jià)連接DNA和蛋白,并且利用DNA的雜交達(dá)到將蛋白固定在組織模板上的目的.這樣做可以有助于我們對(duì)蛋白質(zhì)相互作用的認(rèn)識(shí)以及酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和機(jī)理的研究.4.2金納米顆粒的修飾修飾最常用的納米金顆粒(Aunanoparticle,AuNPornanogold)在水中形成的分散系俗稱膠體金,金顆粒可與氨基發(fā)生非共價(jià)的靜電吸附而牢固結(jié)合,與巰基之間形成很強(qiáng)的Au2S共價(jià)鍵,后者也是最常用的納米金與DNA的結(jié)合方式.金納米顆粒的組裝最初是利用寡核苷酸雜交法.2004年,Seeman研究組率先用雜交法實(shí)現(xiàn)了AuNP的條紋排列.次年,他們又完成了兩種大小AuNP的有序交叉排列.這兩次都是在DX-array中排布的.Yan研究組把基底改為4×4tile的網(wǎng)格,這種圖形的好處是tile間距大且位阻效應(yīng)小,實(shí)現(xiàn)了納米金的等間距排列(保證每個(gè)金球只連在一個(gè)位點(diǎn)上).當(dāng)然,也有在金納米顆粒上直接組裝DNA的例子.2008年,Sharma等人所利用的高效組裝方法能得到90%以上的產(chǎn)率,他們把巰基修飾的DNA改為用酯化的硫辛酸修飾,從而與金的結(jié)合由一個(gè)巰基(monothiol)變?yōu)榱藘蓚€(gè)硫鍵(dithiol).Kelley研究組通過對(duì)DNA堿基骨架的巰基修飾來代替通常的末端修飾,從而使得DNA和無機(jī)納米材料的作用力更加牢固,他們使用量子點(diǎn)作為載體,可以形成非常規(guī)則的各種形式的復(fù)合物,而修飾組裝了DNA的量子點(diǎn)的光電性質(zhì)可以給光學(xué)性質(zhì)的檢測(cè)、太陽光儲(chǔ)能以及生物學(xué)性質(zhì)的研究帶來更多的選擇(圖9).4.3dna八面體的組裝DNA納米技術(shù)也可以被擴(kuò)展到做檢測(cè).早在1991年,Seeman等人就利用10條DNA鏈在溶液里組裝成了一個(gè)DNA立方體;隨后還有不同策略下利用DNA組裝而成的DNA八面體.這些組裝的策略復(fù)雜,組裝的效率比較低且結(jié)構(gòu)比較松軟.真正能夠用在生物傳感檢測(cè)是在2005年Go