自组装DNA纳米在生物医学的应用讲义.doc

自组装DNA纳米结构材料在生物医学中的应用 摘要 随着DNA纳米技术的发展成熟，DNA作为自然存在的聚合物大分子，不但是生物遗传信息的载体，更可以作为有序可控的纳米结构单元。由于核酸分子具有很好的生物相容性、低毒性和易编程，目前可通过自组装的方法构建纳米结构可以用于化学生物传感、生物成像、载药和基因治疗。本文将从以上几个方面综述自组装的DNA纳米结构材料在生物医学中的应用。 关键词自组装 DNA纳米结构 生物医学 基因沉默 1. 自组装DNA纳米材料概述 DNA作为自然存在的聚合物大分子，不但是生物遗传信息的载体，更可以作为有序可控的纳米结构单元。DNA双链杂交严格遵循沃森-克里克定律碱基配对原则，因此，通过控制碱基的排列顺序，我们既能够决定DNA的链接方式又可以设计它的整体结构。这种DNA的纳米技术，不仅仅影响了大自然的生物进化，更为DNA的应用拓展了空间。在DNA纳米技术中，研究者们可以通过合理地设计碱基序列，使得单独的DNA序列能够按照设计组装成我们想要的结构。 在纳米尺寸上构造DNA自组装结构有着独特的优势[1,2,3]。首先，DNA纳米结构的构建是按照自上而下的顺序进行的，研究者可以使DNA链按照碱基互补配对原则杂交出预设的结果，从而设计出大量的核酸结构，这种特性是其他纳米材料（例如纳米颗粒和蛋白质等）所不具备的；其次，B型DNA双螺旋结构的直径为2nm，螺旋重复单元为3.4nm（约10.5个碱基对），这种明确的特征使模型构建变得相对简单；第三，使用市售的DNA合成仪可制备DNA，并且能够修饰任意的DNA序列；第四，DNA的结构兼具刚柔特性，相比单链DNA，双链DNA的刚性较强。我们可以通过单链与双链的链接组装特定的几何结构。最后，利用DNA良好的生物相容性，DNA材料可与其他生物材料共同构建多组分的纳米结构。 此外，利用DNA碱基互补配对，研究人员采用链置换的策略，开发了一系列的动态DNA纳米技术，例如Winfree等人用DNA逻辑门设计构造了模拟人类大脑的神经网络和一个复杂的DNA计算机[37,38]。 2. 基于DNA纳米材料组装的应用 2.1 生物传感检测 DNA纳米材料最早期的是核酸分子探针，它是近年来发展起来的具有广泛应用价值和发展潜力的生物分析工具。核酸分子探针由核酸序列构建而成，通过碱基互补配对及其他非共价作用实现对目标物的识别，并通过光、电等信号将探针与目标物的识别报告出来[39]。目前，核酸分子探针已经被广泛应用于物理参数以及化学和生物学组分物质的传感和检测，如温度、pH值、金属离子、毒素、有机小分子、蛋白质、核酸甚至整个细胞等[40,41]。以上这些被检测的生物/化学组分及物理参数，在体外的环境检测及工业质量控制上，是重要的环境及质量参数；在体内，执行了许多重要的生物学功能。例如，目前有众多研究报道了钾离子核酸分子探针，如：有研究报道了一种基于核酸适体、纳米金和一条一端标记荧光素的DNA链的钾离子传感器，利用ssDNA（单链DNA）和四面体结构DNA在纳米金表面吸附能力的不同和纳米金的超猝灭效应，可以实现对钾离子荧光和比色的双重检测[42]。Takenaka等人2002年报道了一种在水相中基于荧光共振能量转移的钾离子核酸探针（PSO），该探针为富鸟嘌呤核苷酸（guanine nucleotide, G）序列，在一价离子存在的情况下，DNA在水溶液中可由无规则的卷曲状形成G-四聚体结构（G-Quadruplex，G4），尤其是K+对G4结构的稳定性有很好的特异性，K+浓度很大程度上影响G4结构，从而大大减少了生物体内Na+的干扰[1]。2005年，Takenaka小组用芘做标记，同样实现了基于荧光共振能量转移机理检测生物体系的钾离子传感[43]。2012年Takenaka等人改进了核酸探针，采用凝血酶的核酸适配体实现了细胞内K+的成像[44]。 近年来，DNA作为一种“智能”材料，被用于构造具有周期性图案的纳米结构。Yan[4]等报导了一种以自组装DNA折纸结构为基底的核酸适配体高密度纳米阵列，用于检测蛋白质分子。当低浓度的凝血酶存在时，凝血酶与DNA纳米阵列上的核酸适配体结合，诱导局部信号提高。通过共焦荧光显微镜成像，便能够检测到这一信号。另一个例子是DNA水凝胶。在结构上，DNA组装成的水凝胶与天然组织非常相似，随着温度、pH值、盐离子强度和代谢物浓度的改变，水凝胶的结构相应发生改变。因此在生物传感领域，“刺激”响应或者智能水凝胶愈发吸引了研究者们的关注。 图1.1 高密度DNA纳米阵列检测蛋白质的示意图[4]。 2.2 生物成像 高浓度的无机纳米材料往往具有一定的细胞毒性，相比之下，核酸分子是人体的内源物质，因此具有生物相容性高、免疫源性小等优点，并且，DNA可以通过商业的