DNA分子機器控制的金納米粒子恒溫組裝

1、DNA分子機器控制的金納米粒子恒溫組裝DNA是一種由 A、T、G、C 四種核苷酸組成的雙螺旋生物大分子, 通常作為遺傳信息的載體在生命體內(nèi)起到存儲和復(fù)制遺傳信息的作用。在DNA納米技術(shù)領(lǐng)域 ,DNA作為一種結(jié)構(gòu)精確的反應(yīng)基元被廣泛用于分子器件的構(gòu)建 ,DNA分子計算、疾病診斷 , 以及生物傳感等。其中 , 以基于黏性末端 (toehold) 的 DNA鏈替換反應(yīng)構(gòu)建的催化循環(huán)網(wǎng)絡(luò)體系尤其引起人們的興趣。在這些體系中 ,DNA目標(biāo)鏈的功能類似于化學(xué)反應(yīng)中的催化劑 , 可以通過一系列的 DNA鏈替換反應(yīng)驅(qū)動 DNA分子機器正常運轉(zhuǎn) , 而自身不被消耗。由于具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì) , 金納米粒子近年

2、來受到人們的廣泛關(guān)注。自從上世紀(jì)九十年代中期 DNA金-納米粒子復(fù)合物被 Mirkin 等人成功制備以來 , 這種 DNA功能化的金納米粒子已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于體內(nèi)外檢測、 細(xì)胞轉(zhuǎn)染、基因調(diào)控以及晶體結(jié)構(gòu)組裝等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的 DNA-金納米粒子組裝體系中 ,DNA連接鏈 (linker)的兩端直接與兩種金納米粒子表面的DNA探針互補連接 , 從而完成金納米粒子的組裝。但是這種“直接連接策略”功能單一, 無法對金納米粒子組裝過程進行精確的調(diào)控。尤其是在需要 DNA-金納米粒子實現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能的體系中, 這種簡單策略就更難以實現(xiàn)了。因此很大程度上限制了金納米粒子組裝體系的進一步應(yīng)用。在本論文中 , 通

3、過將 DNA-金納米粒子組裝體系和toehold 協(xié)助的 DNA鏈替換反應(yīng)相結(jié)合 , 我們構(gòu)建了一系列DNA分子機器調(diào)控的金納米粒子組裝體系對金納米粒子的恒溫組裝過程進行精確的動態(tài)控制。首先, 研究了金納米粒子表面DNA鏈替換反應(yīng)的特性。研究發(fā)現(xiàn)金納米粒子表面接枝的DNA入侵鏈 toehold 長度為 7 和 8 時造成的DNA鏈替換反應(yīng)速率躍變的現(xiàn)象是由于金納米粒子表面的高DNA鏈接枝密度引起的。此研究加深了對金納米粒子表面DNA鏈替換反應(yīng)特性的理解 , 同時有助于指導(dǎo) DNA-金納米粒子恒溫組裝體系的設(shè)計和應(yīng)用。多輸入 DNA邏輯門可以進行復(fù)雜邏輯運算, 在 DNA檢測中能同時檢測多種致病

4、基因。由于金納米粒子和金納米棒有兩個互不干擾的紫外吸收峰, 在第三章中將 DNA修飾的金納米粒子和金納米棒組合 , 利用它們的紫外吸收峰值變化作為輸出信號 , 通過 DNA分子機器驅(qū)動金納米粒子和金納米棒的組裝 , 構(gòu)建了兩種多輸入 DNA邏輯門 (A AND B) AND (C AND D) 和(A OR B)AND (C OR D) 。實驗結(jié)果表明這兩種多輸入邏輯門均可區(qū)分多種目標(biāo)鏈輸入情況, 且信號可讀性好易于分辨。相信這種方法不僅可以同時檢測多種目標(biāo) DNA,而且在復(fù)雜邏輯運算方面也有應(yīng)用前景。原理上 ,toehold 協(xié)助的 DNA鏈替換反應(yīng)驅(qū)動的金納米粒子組裝體系可以進一步組合成多

5、級的復(fù)雜循環(huán)網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建 DNA分子機器驅(qū)動的 DNA金-納米粒子多層組裝體系面臨的主要挑戰(zhàn)是多級系統(tǒng)中多種核酸組分之間的復(fù)雜相互作 . 用和泄露行為造成的消極影響。在第四章的工作中 , 通過計算模擬與實驗相結(jié)合 , 研究了 DNA催化循環(huán)體系的動力學(xué)性能和泄露行為 , 并且實現(xiàn)了 DNA分子機器驅(qū)動的 DNA-金納米粒子的二級和三級級聯(lián)組裝。通過實驗發(fā)現(xiàn) ,DNA序列的 toehold 長度和 DNA分子機器的摩爾比對構(gòu)建性能穩(wěn)定的多級組裝體系具有十分重要的影響。DNA多層級聯(lián)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有助于擴展復(fù)雜 DNA生物化學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在第五章的研究中我們注意到 , 受限于金納米粒子表面接枝

6、DNA序列特異性的影響 ,DNA-金納米粒子復(fù)合探針只能針對特定的 DNA目標(biāo)序列進行檢測 , 因而使檢測的復(fù)雜程度和成本大大提高 , 降低了實用性。針對該問題 , 在前期工作的基礎(chǔ)上 , 我們構(gòu)建了一種 DNA鏈替換催化循環(huán)體系與 DNA-金納米粒子組裝的二級串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 上層的 DNA催化循環(huán)網(wǎng)絡(luò)釋放的 DNA連接鏈可以將下層的DNA-金納米粒子組裝體系串聯(lián)起來。經(jīng)過理論和實驗對DNA序列設(shè)計進行優(yōu)化后 , 該體系在單核苷酸多態(tài)性區(qū)分中表現(xiàn)優(yōu)異。無論DNA目標(biāo)鏈在任何位點發(fā)生單堿基錯配, 插入 , 或者缺失 , 都可通過正常鏈和突變鏈的DNA鏈替換反應(yīng)引起的金納米粒子組裝速率差異而進行有效的

7、區(qū)分。該方法不需要針對不同的DNA目標(biāo)鏈重新設(shè)計 DNA-金納米粒子復(fù)合物 , 節(jié)省了資金和時間成本。在前幾章的研究體系中,DNA-金納米粒子的組裝動力學(xué)速率主要依賴于體系內(nèi)toehold 長度以及序列組成進行調(diào)控, 而 pH,溫度 , 以及光照等外部影響因素很難影響到體系的組裝速率。為了增加DNA金-納米粒子組裝體系的調(diào)節(jié)因素從而對其進行更精確的調(diào)控,在本論文最后一章中通過引入C+-GC三鏈 DNA結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種 pH 響應(yīng)的 DNA分子機器調(diào)控的金納米粒子組裝體系。通過調(diào)節(jié)體系中pH可以改變 DNA分子機器的構(gòu)象 , 從而有效調(diào)控 DNA-金納米粒子體系的組裝動力學(xué)。綜上 , 在本論文中構(gòu)建的一系列DNA分子機器驅(qū)動的金納