DNA納米機器的研究與應(yīng)用

1、dna納米機器的研究與應(yīng)用海南大學材料與化工學院?？?570228摘要：木文介紹了 dna納米機器在牛物醫(yī)學領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。dna納米機器 是指由dna分子構(gòu)造的自組裝器件。dna納米機器對牛物醫(yī)學領(lǐng)域有著至關(guān)重 要的意義，尤其在dna牛物傳感器，非病毒基因傳遞，靶向給藥，細胞內(nèi)物質(zhì) 輸運，納米尺度的自組裝等方面。this paper in troduces the research and application of dna nano machines on biomedical fields. dna nano machines are biomolecular assemblies

2、that perform machine-like functions at the molecular level. dna nanomachines have a vital significa nee in the biomedical fields, especially in dna biose nsors, non -viral gene delivery, targeted drug delivery, intracellular tra nsport and nano scale assembly.1dna納米機器簡介隨著科技發(fā)展，不同領(lǐng)域相互滲透交互，dna分子獨特的分子識別

3、特性 己被用于設(shè)計多種納米機械裝置，在可逆的幾個不同的構(gòu)象之間進行切換。利用堿基的精確配對和序列可編程的特性，人們可以將設(shè)計好的dna 序列編織成一維線段、二維網(wǎng)格乃至三維的多面體結(jié)構(gòu)。2006年加利福尼亞理 工學院的研究人員rothemund等更是利用dna組裝出“笑臉”，“雪花”等復(fù) 雜的二維圖案；同年，上海交通大學bio-x中心和中科院上海應(yīng)用物理研究所的 樊春海等利用類似的dna “折紙術(shù)”自組裝岀納米級的中國地圖，向世人展 現(xiàn)了 dna這一納米材料的獨特魅力。作為一種特殊的高分子，dna有精確配對、相互識別的特點，可實現(xiàn) dna納米尺度構(gòu)象或構(gòu)型的可控轉(zhuǎn)換。從控制條件大體上可以將dn

4、a分子機器 分為兩大類：一類是基于鏈交換反應(yīng)的裝置，即利用dna雙鏈互補配對的性質(zhì)， 將特異性的dna單鏈作為燃料來驅(qū)動dna機器的結(jié)構(gòu)變化。第二類是環(huán)境刺激 響應(yīng)的裝置，這類分子機器的構(gòu)象取決于溶液的環(huán)境條件。dna分子的二級結(jié)構(gòu) 變化不僅局限于單雙鏈間的相互轉(zhuǎn)化，其豐富的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象除了可以對特異性的 識別序列進行響應(yīng)，還可以對不同的環(huán)境因素做出響應(yīng)，且響應(yīng)速度更為迅捷。 基于這一原理，人們已經(jīng)設(shè)計出多種環(huán)境條件控制的dna分子機器。這些控制 條件包括：離子濃度調(diào)控、ph調(diào)控、溫度調(diào)控、光調(diào)控等等。2 dna分子機器的應(yīng)用2.1分子開關(guān)和分子馬達的應(yīng)用利用基于g-quadruplex的四鏈d

5、na馬達，simmel等將一種兩層的 g-quadruplex序列用于可控釋放/結(jié)合“凝血酶”（thrombin）。這一工作在未來可 能被用于血液疾病或心血管疾病的檢測或治療當中。來自以色列希伯來大學的 willner等4同樣利用核酸適配體與血晶素（hemin）的識別作用，將其與一個發(fā) 卡（hairpin）結(jié)構(gòu)序列的dna聯(lián)合，可識別特異的dna序列或檢測端粒酶的活 性。普渡大學的mao研究組將一種具有rna切割活性的dna酶連接在一 個銀子狀dna裝置上，從而設(shè)計出一個可以自動剪切溶液中所有目標rna的新 型納米機器。將該機器與分子生物學中的rnai技術(shù)結(jié)合有望發(fā)展出一類新的基 因疾病治療技

6、術(shù)。2.2定向運動的分子機器前面提到的dna分子機器都是在固定位置發(fā)生的可控結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，而在 生物體中很多分子運動是定向的，例如：微管分子自組裝的腳踏車式生長，肌動 蛋白與肌球蛋白間定向拉伸造成肌纖維的定向收縮等等。因此，擺在人造分子機 器面前的一個極具挑戰(zhàn)性的工作就是如何讓其實現(xiàn)定向的長距運動。雖然與蛋白 質(zhì)相比dna分子的結(jié)構(gòu)相對簡單，但通過鏈交換反應(yīng)或構(gòu)象變化，人們?nèi)韵嘈?利用dna構(gòu)建的分子機器同樣可以實現(xiàn)沿設(shè)定方向的運動。2004年yin等利用3種dna酶以及dna設(shè)計出一種巧妙的dna行 走裝置，dna“行走者”可以完成其使命沿著dna“軌道”從-端走到了另一端。 整個過程中的兩步連

7、接反應(yīng)利用了 atp作為能量來源，同吋也保證了每一步的不 可逆性，而反應(yīng)的方向性是由兩個限制性內(nèi)切酶決定的。與利用酶促反應(yīng)行走的 裝置不同，pierce和shin7設(shè)計出一種更為簡單的純粹利用dna作為結(jié)構(gòu)物質(zhì) 和燃料物質(zhì)的行走裝置?？梢酝ㄟ^加入燃料序列的順序自由地控制“行走者”在 軌道上向兩個方向運動。定向運動的實現(xiàn)使得dna為基礎(chǔ)的分子機器有了更為廣闊的應(yīng)用前景。 例如：利用“行走者”攜載其他分子，可以實現(xiàn)微觀世界物質(zhì)的定向運輸，利用 dna分子齒輪可能構(gòu)建出精巧的聯(lián)動裝置其至分子機器人。通過更為精細的序列 設(shè)計和條件優(yōu)化，這樣的夢想都有可能實現(xiàn)。3未來發(fā)展方向dna具多樣的二級結(jié)構(gòu)口各結(jié)

8、構(gòu)間可發(fā)生可控的相互轉(zhuǎn)化，利用這一特 點人們在納米尺度發(fā)展了各式各樣的dna納米機器。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展 和各學科的進一步融合，越來越多的dna分子機器將被設(shè)計出來并實現(xiàn)更為廣 泛和深遠的應(yīng)用。參考文獻：1 rothemund p w. nature, 2006, 440, 297-302.2 錢璐璐,劉強,樊春海科學通報,2006, 51 (24), 2860-2863.3 dittmer w u, reuter a, simmel f c. angew. chem. int. ed. engl., 2004, 43, 3550-3553.4 xiao y, pavlov v, niazovt, dish on a, kotler m, willner i. j.am. chem. soc., 2004, 126, 7430-7431chen y, wangm, mao c d. angew. chem. int. ed. engl., 2004, 43：3554-3557.6 yin, p., yan, h., daniell, xg, turberfield, a. j., reif, j. h. angew. chem. int. ed. engl., 2004,