DNA水凝胶分子设计_合成与应用.docx

DNA水凝胶分子设计、合成与应用仰大勇①*, 许传营①②, 彭松明①, 崔金辉①④, 俞雁②, 韩伟③, 崔海信④, 罗丹①⑤*①DepartmentofBiologicalandEnvironmentalEngineering,CornellUniversity,Ithaca,NewYork14853,USA;②上海交通大学农业与生物学院,上海200240;③上海交通大学药学院,上海200240;④中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京100081;⑤KavliInstituteatCornellforNanoscaleScience,Ithaca,NewYork14853,USA*联系人,E-mail:dy228@cornell.edu;dan.luo@cornell.edu 2013-04-02收稿,2013-06-27接受,2013-12-16网络版发表摘要 DNA 纳米技术是纳米生物技术的一个重要研究领域, 近年来发展迅猛. 通过理性设 计和可控制备可以获得多种基于DNA纳米结构的材料. DNA水凝胶作为宏量DNA材料的 重要代表备受关注, 展现出很广泛的应用前景, 尤其是在生物医学应用领域. 本文介绍了DNA 水凝胶的分子设计原理、合成方法和典型应用, 重点综述近年来该领域具有代表性的研究成果.关键词 纳米生物技术 DNA纳米技术 DNA水凝胶 药物缓释 蛋白质生产 免疫调控脱氧核糖核酸(DNA)是生命系统的核心分子之一, 主要功能是存储和编码基因信息[1]; 30 多年前, Seeman[2]设计并合成了人工的DNA 纳米结构, 开启 了DNA纳米技术的大门. 经过多年的发展,DNA纳 米技术受到化学、生物学和材料科学等领域的科研工作者的广泛关注, 多种DNA 材料相继被设计合成, 并应用于多个领域, 尤其是在生物医学领域[3~7]. 从 材料和化学的角度来看, DNA 具有独特而优异的物理和化学性质, 从而使DNA 结构具有可设计性、多样性和多功能性等优点[4,5]. 最为显著的优点是DNA分子的可操控性, 比如, (1) DNA分子由含4种不同 碱基(A, T, C, G)的单体连接而成, 其序列可以根据 设计要求任意排列组合; (2) 碱基两两特异性配对(A 只和T配对,C只和G配对), 基于这个原则, 两条互补的单链DNA(ssDNA)能够自组装成为双链DNA (dsDNA), 这也是DNA纳米技术的核心基础(图1(a));(3) 一系列成熟的分子生物学方法为DNA 的分子操作提供了丰富的工具, 包括对DNA进行连接、剪切、扩增的各种酶, 以及广泛应用的聚合酶链反应(PCR)技术;(4) 存在很多对DNA进行化学修饰的方法.因为DNA 的这些独特之处, 科学家们理性设计、合成了多种DNA 材料, 包括各种有序结构, 以 及以这些DNA 结构为模板的其他材料(比如纳米粒子、生物分子等)组装而成的更复杂的纳米结构[5,8~11].对于DNA材料应用至关重要的是实现DNA材料的 宏量制备.DNA水凝胶是DNA材料宏量制备的典型代表. 水凝胶材料种类繁多、应用广泛[12~18], 而利用 DNA 制造水凝胶, 既利用了水凝胶的骨架功能, 也 利用了DNA的生物功能, 实现了水凝胶材料结构与功能的统一融合.按照水凝胶形成的机理, DNA 水凝胶大致分为两类: 化学水凝胶和物理水凝胶. 化学水凝胶是由化学键作为交联点而形成的水凝胶; 物理水凝胶则是 由非化学键作为交联点而形成的水凝胶(图1(b)).引用格式: 仰大勇, 许传营, 彭松明, 等.DNA水凝胶分子设计、合成与应用. 科学通报,2014,59:107–115YangDY,XuCY,PengSM,etal.Moleculardesign,synthesisandapplicationsofDNAhydrogel(inChinese).ChinSciBull(ChinVer),2014, 59:107–115,doi:10.1360/972013-384图1 DNA 和DNA水凝胶示意图(a)双链DNA双螺旋结构和DNA碱基配对原则;(b)根据三维交联网络类型的不同,DNA水凝胶分为化学水凝胶和物理水凝胶,化学水 凝胶由化学键交联,物理水凝胶由物理相互作用(非共价键)交联1DNA水凝胶分子设计与合成1.1化学水凝胶化学水凝胶是由化学键作为交联点而形成的水凝胶. Um等人[19]在DNA碱基配对自组装的基础上, 引入酶催化交联步骤, 制备了完全由DNA 构成的化学水凝胶, 该工作不仅第一次实现了全DNA 水凝胶的酶催化合成, 并达到了宏量制备. 在分子设计当中, 构成水凝胶的基本单元是分叉状DNA单体(branchedDNA