核酸納米材料近期頂刊發文匯總

引言

DNA的雙鏈結構具有互補性，基于這種鏈與鏈之間的互補性能夠發展一列DNA基納米材料，生物傳感、水凝膠、納米機器等方面均有廣泛的應用。作為納米技術領域的領軍者，美國西北大學的Chad A. Mirkin教授深耕核酸納米材料方向多年，在國際上享有盛譽。在這篇文章中，我們主要匯總了Mirkin課題組的近期進展，同時也報道核酸納米材料的最新頂刊發文情況。

Mirkin課題組近期研究進展

利用DNA和MOF構建膠體晶體

MOF PAE作為膠體晶體構建的基本單元

利用核酸修飾的納米顆粒來構建膠體晶體是實現3維超晶格的有力工具，在催化、檢測等領域均均有潛在的應用潛力。目前為止，基于核酸修飾的構建模塊研究基本分布于金屬、金屬氧化物、硫化物半導體和蛋白質等材料。近期，Mirkin團隊展示了利用寡核苷酸密集功能化的鋯基MOF材料（UiO-66）可以被重塑晶化形成多種結構明確的超晶格。研究人員首先利用密度梯度離心的方法得到單分散的MOF納米顆粒，并利用直接配位策略將足夠數量的DNA修飾到MOF上，通過調控修飾密度來重塑晶化，使得MOF可以組裝形成超晶格結構。電子顯微學和X射線散射表征都顯示，修飾后的納米顆粒顆粒形成單組分MOF超晶格、雙元MOF-金單晶或者二維MOF納米棒組裝體。特別是，DNA修飾的卟啉MOF（PCN-222）不僅可以組裝形成二維超晶格，還展現出了可光氧化硫醚的催化活性。研究認為，MOF基膠體晶體的構建為DNA輔助的膠體晶體構建提供了新的思路。

文獻鏈接：Colloidal crystal engineering with metal-organic framework nanoparticles and DNA

控制DNA雜化鏈反應

在DNA發夾結構中引入錯配能夠控制DNA雜化鏈反應

DNA寡聚物是一種可以進行編程化的納米尺度支架。而雜化鏈反應（HCR）是一種有效的DNA寡聚化（Oligomerization）手段，這種方法與鏈生長聚合類似，只需要非常少的DNA序列就能完成反應。然而，傳統的HCR常常會造成高分散的DNA基因對，即含有單鏈DNA能夠添加額外的單體。

因此，C. Adrian Figg等人發展了一種可控HCR法。研究通過在發夾結構中引入堿基對錯配來實現對HCR的控制。首先，這一錯配改性能夠增加DNA中toehold結構的長度并減少stem結構長度，從而提高以互補序列作為引發劑的鏈置換（Strand displacement）速率；隨后，在鏈置換過程中，發夾錯配被保留并延緩該進程。通過以上兩個因素作用，引發（Initiation）和傳播（Propagation）過程被分化，最終實現可控的HCR寡聚化。

文獻鏈接：Controlling the DNA Hybridization Chain Reaction

亞納米顆粒的控制合成

聚合物納米反應器介導亞納米顆粒的合成

原子組成數少于300、粒徑小于2納米的納米顆粒，通常稱為納米簇，能夠具有與一般的納米顆粒和單原子完全不同的性質特點。Mirkin課題組近年來發展了所謂“掃描探針嵌段共聚物蝕刻”技術，通過納米反應器介導和三秒探針蝕刻可以實現2.5-60nm粒徑的多元素納米顆粒的合成。

近期，該課題組在“掃描探針嵌段共聚物蝕刻”技術的基礎上發展了一種粒徑小于2納米的納米顆粒的制備方法。研究人員設計了一種新型卟啉封端的PEO聚合物材料。在這一聚合物中，金屬原子和聚合物之間存在著固定的化學計量比，因此基于此聚合物的納米反應器能夠更加均一。進一步地，以裝載鉑離子的聚合物作為“墨水”，利用蘸筆納米光刻術（DPN）可以將納米反應器的體積控制在幺升水平；經過熱處理的納米反應器就可以轉變成粒徑在1-5nm范圍的鉑納米顆粒。不僅如此，利用這一技術，并混合不同金屬卟啉封端聚合物，還能合成具有銅、鎳、鉑三元組分的多金屬超小納米顆粒。

文獻鏈接：Chain-End Functionalized Polymers for the Controlled Synthesis of Sub-2 nm Particles

多金屬高指數晶面異質納米顆粒

多金屬二十四面體納米顆粒的結構表征

具有高指數晶面的多金屬異質納米顆粒是一類頗具代表性的高效催化劑。然而，由于自身結構的復雜性，這類納米顆粒的合成一直是一個巨大的挑戰。Huang等人在900-1000攝氏度的管式爐中基于合金/去合金過程合成了一系列具有異質結構的多金屬二十四面體納米顆粒。電子顯微學和選取衍射檢測顯示，異質結構納米顆粒的結構域均是外延對齊生長的。研究更是顯示，即便金納米顆粒是低指數晶面，合成的鉑/金異質結構納米顆粒也是高指數晶面的，包括金的結構域。此外，合金化/去合金過程中鉍的產生速率和條件能夠影響納米顆粒合成過程中的結構變化。最后，結合掃描探針嵌段共聚物刻蝕技術還能調控納米顆粒的組分，為調控納米顆粒的結構和組成提供了新的思路。

文獻鏈接：Multimetallic High-Index Faceted Heterostructured Nanoparticles

球形核酸的效應器機理

球形核酸的效應器機理研究

球形核酸（SNAs）是一類由短鏈寡核苷酸在納米顆粒模板上共軛形成的具有納米構造的材料。特別地，當這些短鏈寡核苷酸與改性的小干擾RNA（siRNA）雙鏈一同制備SNAs時，這類SNAs可以作為single-entity轉染劑和基因沉默劑，并在多種疾病模型中取得成效。然而，這類材料進行基因沉默的機理研究目前還尚未展開。因此，Yamankurt等人系統分析了涉及到SNAs的siRNA生化機理。分析揭示了納米顆粒表面siRNA雙鏈經過解離產生游離的siRNA，隨后游離的siRNA以依賴于canonical RNA干擾機制的路徑發揮功能。利用這一現象，研究還設計了一系列基于siRNA雙鏈共價結合的SNAs，在這一SNAs中，通過分別與siRNA雙鏈共價結合可以指數級地提高SNAs中的siRNA含量。通過提高siRNA含量，SNAs可以顯著降低細胞毒性，更有利于siRNA-SNAs在細胞內外的遞送行為。

文獻鏈接：The effector mechanism of siRNA spherical nucleic acids

基于DNA的光響應膠體晶體設計

基于DNA的膠體晶體設計及其光響應機制

基于DNA的膠體晶體設計制備依賴于DNA接枝的納米顆粒作為“可編程原子等價物（PAEs）”來產生晶化納米顆粒超晶格。在這類組裝中，內核納米顆粒“原子”的尺寸、形貌和組分可以不依賴DNA“鍵”的長度、序列或者密度進行調整。不僅如此，刺激響應性的DNA“鍵”可以為PAEs提供對外源環境的敏感性，以此可以通過引入觸發機制重構晶體的結構。Zhu等人開發了一種基于光響應DNA合成和圖案化膠體晶體的新型策略。在這種策略中，這類晶體由粒徑10-30納米的金納米顆粒與偶氮苯改性的DNA鏈相互連接而成。偶氮苯分子的光異構化可以賦予材料底心立方-面心立方晶化納米顆粒晶格的可逆組裝-解組裝性質。此外，紫外光可以作為外部觸發選擇性地移除膠體晶體厘米級薄膜上的納米顆粒，從而圖案化晶體形成預設圖形。

文獻鏈接：Light-Responsive Colloidal Crystals Engineered with DNA

DNA膠體超晶格致動器

利用多價陽離子可以實現DNA膠體超晶格的可逆致動

利用可編程的DNA“鍵”可以功能化納米顆粒，并使納米顆粒組裝形成具有晶體特點的有序超晶格。而在Samanta的研究中，作者利用多價陽離子與DNA鍵的作用來實現膠體超晶格的致動效應。多價陽離子能夠在分子水平改變DNA結構，導致DNA鍵的長度可以在17和3納米之間進行可逆轉變，給微米級超晶格帶來維度改變。研究表明，陽離子的種類、電價和濃度均影響著致動程度，例如鎳離子能夠引發晶體體積超過65%的可逆改變。此外，陽離子還能增加DNA“鍵”長度，從而提高超晶格的熱穩定性。分子動力學模擬還可以顯示當DNA鍵長達到3納米時的DNA構象變化，并且發現陽離子能夠屏蔽DNA骨架上的負電荷，從而有效促進晶體收縮。總結來說，陽離子的介入代表著一種可以改變超晶格結構和穩定性的有力策略，能夠通過光、磁和力學性能的動態控制來實現多種應用。

文獻鏈接：Multivalent Cation-Induced Actuation of DNA-Mediated Colloidal Superlattices

胍鹽骨架寡核苷酸的無汞合成

固相DNG合成過程

脫氧核糖核胍（Deoxyribonucleic guanidines， DNGs）是一種以胍鹽片段取代磷酸酯骨架的寡核苷酸，能夠發揮與細胞穿膜肽類似的功能，增強細胞攝取能力。DNGs雖然由四種堿基組成，但能抵抗核酸酶的降解。然而，目前DNG的生產要求含毒的汞鹽連續偶聯以及刺激性的硫酚洗滌，極大地限制了DNG的規模化應用。

針對這一問題，Skakuj等人報道了一種基于碘的溫和低成本合成DNG寡核苷酸方法。在這一方法中，生長的DNG鏈被首先固定到基質上，研究人員再利用碘作為溫和的氧化劑來將硫脲單體偶聯到5’-氨基。研究顯示，利用這一方法不僅可以避免有毒試劑的參與，還通過自動化寡核苷酸合成儀可以了目前最長的DNG鏈。細胞實驗表明，由此制備的DNG能夠在無需轉染劑的情況下被細胞快速攝取，同時不會對細胞造成顯著的殺傷。這些結果說明DNG具有作為自轉染基因調節劑以及胞內檢測探針的應用前景。

文獻鏈接：Mercury-Free Automated Synthesis of Guanidinium Backbone Oligonucleotides

膠體晶體“合金”

四種膠體晶體合金等價物及“合金”內部結構相互作用示意圖

利用DNA制備膠體晶體已經被證明是一種整合三維納米構建模塊的有效策略。在這一策略中，納米顆粒表面利用DNA密集改性后可以視為“可編程原子等價物（programmable atom equivalents，PAEs）”。目前，肅然利用互補DNA改性的納米顆粒可以組裝形成“離子相”，但還未有“合金相”組裝出現。近期，Wang等人設計了一類“膠體晶體合金”。在這一工作中，互補DNA修飾的2納米金顆粒作為電子等價物（electron equivalents，EEs）與另外兩種尺寸不同的金PAEs結合形成“合金”。電子顯微學和小角X射線散射表征揭示了四種膠體合金等價物的形成：間隙型、取代型、相分離型和金屬間合物型。在這些膠體合金相中，PAEs占據了晶格位置，而EEs在穩定PAE晶格的同時并沒有占據特定的晶格位點。因此，通過改變兩種PAE的尺寸比、DNA表面包覆、化學計量比以及熱退火處理過程可以可控合成不同的合金相。這一研究為膠體晶體的發展提供了新的思路。

文獻鏈接：Colloidal Crystal "Alloys"

核酸納米材料最新頂刊發文

ACS Nano：三維納米構造雜化體

DNA四面體的制備和表征

結構DNA納米技術可以制備許多具有可控結構的超小納米材料。然而，在干燥過程中如何避免毛細作用力引發的結構損壞是DNA材料突破溶液環境的關鍵問題。哈佛大學的Peng Yin和匹茲堡大學的Haitao Liu（共同通訊作者）等人合作報道了一種可穩定存在于空氣中的DNA材料。這一DNA四面體首先在緩沖液中合成，并沉淀在云母基質上，DNA四面體吸附乙酸雙氧鈾后利用乙醇水溶液反復沖洗，最后凍干得到可在無溶液環境中穩定存在的三維DNA四面體。干燥后的DNA四面體高約93納米，可承受高達42納牛的載荷力。不僅如此，高達9.1±5.1MPa的有效硬度和77±48MPa的楊氏模量都顯示，這一DNA四面體是一種新型低密度（70.7 kg/m³）高強度材料。

文獻鏈接：3D Freestanding DNA Nanostructure Hybrid as a Low-Density High-Strength Material

ACS Nano：分子印章實現納米顆粒三維圖案化

分子印章過程示意圖

基于納米顆粒引導形成納米尺度結構是設計具有預設功能納米材料的關鍵問題。而在原子系統，化學鍵可以引導原子形成分子或者晶體。受此啟發，可以設計各向異性連接模塊引導納米顆粒組裝形成納米尺度結構。然而，納米顆粒的材料維度過小，不易進行位點特異性的表面控制，限制了該技術的進一步發展。

哥倫比亞大學的Gang（通訊作者）課題組開發了一種分子沖壓（印章）（molecular stamping，MOST）的方法，來圖案化DNA包覆的納米顆粒。在這一圖案化過程中，配位的DNA框架作為分子印章設備，該設備將分子“墨水”——DNA序列轉移并固定到納米顆粒表面形成預設圖案。當納米顆粒經過MOST處理后，納米顆粒表面就擁有單分子“補丁”作為具有不同親附力的“鍵”。進一步地，這些納米顆粒就被組裝成預設團簇，其結構則被補丁所在位置決定。這一方法為實現納米結構提供了單分子控制的新型思路。

文獻鏈接：Three-Dimensional Patterning of Nanoparticles by Molecular Stamping

Angew：基于DNA框架的細胞分選器

TDFs基拓撲結構

細胞生化過程中的分子識別是具有特異性受體-配體作用的生化現象，通常出現在細胞膜上。許多研究都表明，通過在骨架和納米顆粒上實現多重相互結合（multivalent interaction）可以顯著提高弱鍵合配體的鍵合強度。然而，實現配體的化學計量和拓撲排列控制依然是一個巨大的挑戰。

中科院上海應用物理研究所的Ying Zhu（通訊作者）等人基于一系列四面體DNA框架（TDFs），以此可以實現多種配體的化學計量和拓撲排列。這一多重配體的拓撲控制通過引發受體成簇完全改變了分子識別的法則，從而使得鍵合強度增強了10倍左右。這一基于TDFs形成的拓撲復合物的精確設計可以用于細胞圖案化的鍵合控制，并通過控制與細胞的鍵合強度可以作為細胞分選器使用。這項工作為設計用于分子識別和細胞通訊的拓撲配體提供了新的思路。

文獻鏈接：DNA Framework‐Based Topological Cell Sorters

AM:整合量子點納米技術和DNA納米技術

QD-SABER用于多色多循環免疫組化

免疫組織化學（IHC）能夠提供在胞內環境表達的蛋白質的詳細信息，是一種利用特異性抗體以及生物偶聯方法的常用檢測技術。盡管免疫組化技術一直在不斷進步，在實現多重、靈敏、高通量單細胞分析方面依然存在困難。近期，華盛頓大學的高虓虎（通訊作者）團隊整合量子點納米技術和DNA納米技術的優勢用以改善單細胞成像技術。在這一研究中，一級抗體首先用特異的DNA序列進行編碼并與目標細胞進行鍵合，該DNA序列同時也與ssDNA串聯體進行正交錨定，隨后生物素化的寡核苷酸與量子點-鏈霉親和素復合物簡單混合形成熒光成像劑，這一成像劑再與串聯體雜化實現免疫染色以及單細胞成像。在每次雜交過程中，可以實現5-10色的量子點的快速免疫染色；同時由于一級抗體都是經過特異DNA序列編碼的，因此無需將一級抗體移除就可以進行IHC檢測。最后，利用酸性的甲酰胺緩沖液就可以輕易地將量子點洗脫，恢復樣品用于下一輪染色和檢測。

文獻鏈接：Combining Qdot Nanotechnology and DNA Nanotechnology for Sensitive Single‐Cell Imaging

Angew：DNA納米刻蝕技術

ApTDN-Chip芯片的工作原理

具有納米尺度結構的微流控芯片雖然一直受到科研人員的關注，但其復雜的制造過程和高昂的成本限制了這類材料的進一步發展。近期，上海交大附屬仁濟醫院的Gang Zhao、宋彥齡以及楊朝勇（共同通訊作者）聯合報道了一種新型的“微流控芯片DNA納米刻蝕”技術。研究人員將尺寸小于10納米的四面體DNA結構（TDNs）作為框架制造了名為ApTDN-Chip的芯片，這一剛性DNA結構作為納米刻蝕工具能夠將結構上的適配子進行排列形成高度垂直取向。同時，DNA有限的四面體納米結構能夠有效降低傳統微流控界面制備過程中的擁擠效應以及避免該過程造成的不必要取向，使得DNA核酸酶與適配子更容易接觸，從而更有利于提高細胞捕捉后的釋放效率。由于這一高度精確結構的存在，與單價適配子改性芯片相比，ApTDN-Chip對循環腫瘤細胞的捕捉效率提高了近60%。因此，研究認為利用這一技術能夠相對簡便地制備可以高效識別、捕捉以及釋放循環腫瘤細胞的檢測器件。

文獻鏈接：DNA Nanolithography Enables a Highly Ordered Recognition Interface in a Microfluidic Chip for the Efficient Capture and Release of Circulating Tumor Cells

Sci. Adv.：可進行生物識別和腫瘤治療的DNA納米器件

DNA納米器件的正交調節用于腫瘤細胞識別以及治療

盡管納米器件在藥物遞送領域具有廣闊的應用前景，發展具有高度時空選擇性的可控診療器件依然困難重重。針對這一巨大的挑戰，國家納米科學中心的李樂樂和趙宇亮（共同通訊作者）報道了一種新型DNA納米器件，該器件在近紅外光正交調節作用下能夠實現時空精確度增強型的腫瘤識別和治療。這一基于正交上轉換納米顆粒（UCNPs）的納米器件將紫外光活化的適配體模塊、光敏劑與UCNP進行集成，其中UCNP能夠將兩種近紅外激發轉換成正交的紫外和綠光發射，分別用于適配體和光敏劑的程序化光活化，由此實現時空可控的腫瘤靶向識別和光動力學治療作用。不僅如此，當與免疫檢查點抑制劑一同作用時，納米器件還能有效抑制遠端腫瘤。這些結果表明，該工作為疾病診療的精確調節提供了新的思路。

文獻鏈接：An orthogonally regulatable DNA nanodevice forspatiotemporally controlled biorecognition andtumor treatment

本文由nanoCJ供稿。

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