DNA纳米从试管走向细胞的历程剖析.docx

DNA纳米技术从试管走向细胞的历程 基于沃森-克里克碱基互补配对原则，随着合成成本的降低，DNA在构建自组装分子结构和动态分子装置上得到了广泛的应用。在无细胞环境中，DNA纳米技术的研究者对DNA复杂系统和定量反应机制的研究已经达到基因工程和细胞技术无法企及的程度。然而，DNA纳米技术最有趣的应用（最大地利用DNA系统尺寸小、生物相容性好以及可塑性强的性质）都停留在生物界面的程度。这篇综述里，我们回顾了DNA纳米技术研究从试管到细胞的历程。我们着重介绍了DNA成像探针、智能治疗及药物转运系统发展过程中的关键性突破，同时展望了细胞DNA纳米技术未来的挑战和机遇。 DNA纳米技术属于纯粹的分子生物工程学技术。这一领域旨在将DNA作为工程学材料构建分子结构和装置。DNA碱基互补配对的自然特性使得控制DNA间的相互作用变得简单，同时可以合理地设计具有精确尺寸的DNA纳米结构、自主移动的分子马达和处理信息的DNA回路。目前还没有任何其它分子工程技术可以像DNA纳米技术这样完全从头设计复杂多样的类分子生物系统。 DNA纳米技术的成功源于三个关键因素：1. 对DNA热动力学的认知使得我们可以精确预测单链DNA自身折叠及DNA分子间的相互作用（1，2）；2. DNA合成成本不断下降，质量不断提高（3）；3. 研究主要在无细胞环境中进行，DNA不会受到的DNA/RNA酶以及细胞内可能会出现的其它复杂因子的干扰，故而可以朝着设计的预期发展。 长期以来，DNA纳米技术的发展动力是构建智能治疗剂、药物转运系统、分子生物学工具以及其他可以与活细胞相互作用甚至能操控活细胞的装置（4-7）（Fig.1）。这些应用是核酸结构和装置的显著优势，特别是它们尺寸小、生物相容性好以及可控的通过杂交与细胞核酸作用的明确性质。然而，要实现DNA纳米技术的应用，必须解决从高度混合的反应缓冲液到空间结构化、内容复杂的细胞环境中，实验依然可以进行（Box 1）。 在这篇综述里，我们总结了最近将DNA纳米技术应用至细胞的研究进程。我们着重于核酸纳米装置及结构的合理设计、化学修饰，然后转运至哺乳细胞的过程。首先，我们简单回顾了细胞外DNA纳米技术的研究；然后，转向更多的类细胞环境的研究。在细胞裂解液或固定细胞等类细胞环境下，可以不完全的部分模拟复杂的细胞环境，获得相关数据。接下来，在介绍转运DNA装置至细胞内的相关工作前，我们讨论了最近一些证明DNA纳米装置可控的与细胞表面蛋白相互作用的研究成果。紧接着介绍了在活细胞内工作的装置，同时回顾了利用DNA探针和逻辑门检测、分析和调控细胞内RNA水平的早期工作。我们通过着重介绍在活细胞内增强DNA装置表现的RNA成像探针、siRNAs或者ASOs的设计原则来介绍这一部分工作。最后，我们介绍了与DNA纳米技术很大程度上有着相同目标但又用于遗传编码和转录RNA的RNA纳米技术和RNA合成学。 Figure 1| DNA纳米技术在生物界面上的应用 A，智能治疗剂可以将结构与分子逻辑结合，在特定的细胞或组织内实现靶标治疗（60）。B，DNA纳米结构可作为可设计的脚手架来附着药物、靶标链和脂双分子层等其他修饰（78）。C，一系列新奇的敏感特定的成像探针，基于DNA设计的与RNA序列特异性相互作用的信号放大器（52）。D，DNA折纸和其它结构可精确控制功能分子基团的空间结构，形成高效的细胞生物学定量检测工具（66）。 无细胞DNA纳米技术 为了在复杂潮湿的环境中可靠地实现功能，在活体用分子传感器检测环境变化；用分子马达和致动器适应环境；用计算控制回路将传感器信息转换为马达的运行；用特定结构的元素来保护并组织这些部件。有趣的是，在无细胞环境下，DNA纳米技术在组织大部分模拟复杂生物现象的分子马达必须的大部分功能化组件上已经有了一定的进展。我们在这里回顾了一些无细胞DNA纳米技术的主要成果并指出了其在细胞环境中的潜在应用。 结构DNA纳米技术 在上世纪80年代，Nadrian Seeman提出了DNA可以作为结构工程学材料这一概念（8-10）。在1998年，Winfree等首次经实验实现了大尺寸结构的合成：他们证明纳米尺寸的DNA小块可以通过多条寡聚核苷酸链自组装形成微米级的周期性排列的DNA阵列（11）。随后，tile自组装和相关技术被成功的应用与构建一系列的阵列和网络DNA结构（11-19）。 Rothemund通过DNA折纸将结构DNA自组装进一步发展。DNA折纸术操作简单，结构具有足够的弹性来适应几乎所有的二维结构，而且能够稳定高效的形成目标结构（20）。DNA折纸通过长单链与大量短订书链杂交折叠成目的结构。这项技术被快速广泛地应用，而且广泛的用于自组装三维结构（21-24）。DNA纳米结构一开始是作为药物转运工具和相似的应用来研究，因