Acc. Chem. Res.綜述：DNA-π兩親分子的設計、自組裝和應用

【研究背景】

DNA通過沃森和克里克堿基配對識別互補鏈的能力是自然界中發現的最可靠的分子識別事件之一。這種DNA編碼的高度特異的序列信息使其成為自下而上自組裝的多功能構建塊。因此，功能納米結構的修飾與信息豐富的DNA是極其重要的，因為這使得其他功能分子以高度可預測的方式通過DNA雜交將其他功能分子集成到納米結構的表面。DNA兩親性是一類短親水性DNA與疏水部分結合的分子雜交。由于DNA兩親分子以DNA為親水片段，在水介質中自組裝，往往導致以DNA為殼形成納米結構。這清楚地表明，DNA兩親分子的自組裝是一種簡單的策略，可將DNA用于修飾納米結構。然而，最初的設計DNA兩親性的嘗試主要集中在作為疏水部分的長柔性烴鏈上，并且在幾個例子中已經證明它們通常自組裝成DNA修飾膠束（球形或圓柱形）。因此，分子水平控制DNA兩親分子的自組裝和獲得多樣的形態是一個極具挑戰性的問題，直到最近才實現。

【成果簡介】

近日，印度科學教育與研究學院Reji Varghese教授介紹了團隊在DNA兩親分子自組裝領域的研究，并描述了在設計DNA兩親分子（DNA-π兩親性分子）時，大π-表面作為疏水片段的顯著效果。結果表明，強烈的π-π堆積相互作用主要決定了它們以層狀方式自組裝，從而形成了DNA修飾的層狀納米結構。因此，通過選擇合適的π-表面可以很容易地調節自組裝路徑和所合成納米結構的形態。作者進一步討論了各種層狀DNA納米結構的設計原則，包括單膜囊泡、二維納米片和扭曲手征帶。討論了納米結構在等離子體納米材料和催化活性納米粒子（NPs）DNA定向組裝中的應用，同時還包括了刺激響應型DNA納米結構的設計及其作為有效載荷傳遞的納米載體的潛力。該文章近日以題為“DNA?π Amphiphiles: A Unique Building Block for the Crafting of DNA-Decorated Unilamellar Nanostructures”發表在知名綜述Acc. Chem. Res.上。

【圖文導讀】

圖一、DNA兩親物

（a）DNA兩親物自組裝成球形或圓柱形膠束的概述。

（b）DNA-b-聚苯乙烯的自組裝。

（c）DNA-b-聚環氧丙烷的自組裝。

（d）DNA-π兩親物自組裝為不同單層納米結構的示意圖。

圖二、DNA裝飾的單層囊泡

（a）DNA1-3的結構及其自組裝成囊泡。

（b-g）DNA1-3囊泡的AFM圖像和TEM圖像。

（c）DNA1，DNA2，DNA3的熒光隨溫度變化。

圖三、基于主客體作用的DNA-π兩親物

（a）β-CD功能化DNA（DNA4）和金剛烷功能化發色團的結構。

（b）通過β-CD和金剛烷之間的客體相互作用非共價合成超分子兩親物，并自組裝成囊泡。

（c）DNA4@1囊泡的TEM圖像，插圖顯示了囊泡的放大圖像。

圖四、DNA修飾的二維納米片

（a）基于HBC的兩親物的結構及其自組裝成結晶的2D納米片的過程。

（b-e）DNA6納米片的SEM，TEM和HR-TEM圖像。

圖五、基于AIE的DNA二維納米片

（a）基于TPE的兩親物的結構及其自組裝成納米片的過程。

（b-e）DNA8納米片的SEM，TEM和HR-TEM圖像。

圖六、DNA修飾的扭曲緞帶

（a）基于HPB的兩親物的結構及自組裝成具有M螺旋的納米緞帶。

（b）DNA9納米帶的溫度依賴的手性研究。

（c-e）DNA9納米帶的TEM，AFM以及SEM圖像。

圖七、DNA納米結構作為納米材料組裝的模板

（a）以DNA1為模板的納米粒子組裝及TEM圖像。

（b）不同溫度下DNA1囊泡和DNA1@AuNP的熒光光譜比較。

（c）以DNA6為模板的納米粒子組裝及TEM圖像。

（d-f）DNA9螺旋帶上AuNPs和AuNRs螺旋結構的示意圖和TEM圖像。

圖八、DNA納米結構作為催化劑的模板

（a）將催化活性AuNPs固定在DNA8板上，使用DNA8@NP納米板作為催化劑還原4-硝基苯酚以及通過超濾回收催化劑的示意圖。

（b）固定在DNA8板上的AuNPs的TEM圖像。

（c-d）4-硝基苯酚的還原和反應動力學研究。

圖九、DNAsome作為藥物遞送的納米載體

（a）pH響應性DNAsome設計的示意圖。

（b-c）pH=7.3時的DNA11囊泡的AFM和TEM圖像。

（d）pH=5時的DNA11納米結構的AFM圖像。

（e）隨著pH值的變化，NR@DNA11的熒光變化。

【結論展望】

本文綜述了DNA-π兩親分子的設計與自組裝，探索了π-π堆積的顯著能力，可用于各種單納米結構的構建。研究結果已經證明，DNA-π兩親分子是一種獨特的分子構建塊，可用于制備不同形貌的DNA修飾納米結構，在材料科學、納米技術和納米醫學中具有潛在的應用前景。這一領域未來發展的一個方向是設計其他形態，如納米管、多層和不對稱納米結構，這將使研究人員擁有一套完整的工具箱，用于設計不同種類的DNA修飾納米結構。這些納米結構可以通過利用DNA的響應特性（pH、酶、小分子相互作用等）或通過可切割的連接體連接親水和疏水片段，很容易使這些納米結構具有響應性。這種對刺激反應靈敏的生物材料在生物醫學領域有著廣泛的應用，包括藥物傳遞、無創治療和診斷。最后，本文所討論的DNA-π兩親分子將鼓勵其他研究者進一步研究DNA兩親分子自組裝途徑的基本方面，并探索其在各個領域的應用。

文獻鏈接：DNA?π Amphiphiles: A Unique Building Block for the Crafting of DNA-Decorated Unilamellar Nanostructures (Acc. Chem. Res., 2020, DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00492)

本文由大兵哥供稿。

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