DNA納米材料：從精準設(shè)計到生物與蛋白領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用一、引言1.1DNA納米材料研究背景與意義自1953年沃森（Watson）和克里克（Crick）揭示DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)以來，DNA作為遺傳信息的載體在生命科學領(lǐng)域占據(jù)著核心地位。然而，隨著納米科技的興起與發(fā)展，DNA因其獨特的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，逐漸成為構(gòu)建納米材料的理想元件，從而催生了DNA納米技術(shù)這一新興交叉領(lǐng)域。1982年，紐約大學的NadrianSeeman教授首次提出利用DNA分子構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)的設(shè)想，他設(shè)計出十字叉狀的Holiday結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)的線狀雙鏈DNA，多出的兩個方向使其可作為結(jié)構(gòu)單元用于合成更復雜、尺寸更大的二維結(jié)構(gòu)，這一開創(chuàng)性的工作標志著DNA納米技術(shù)的誕生。此后，科學家們不斷探索創(chuàng)新，開發(fā)出多種DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制備方法。如1993年Seeman團隊改進的DX（DoubleCrossover）結(jié)構(gòu)，解決了多臂結(jié)靈活度高、組裝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)不確定的弊端；2006年加州理工學院的PaulRothemund開發(fā)的DNA折紙術(shù)，僅需將長鏈和若干短鏈混合退火，就能得到想要的組裝結(jié)構(gòu)，且可得到的產(chǎn)物復雜度更高，大大增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，DNA納米技術(shù)已取得了長足的進步，能夠精準實現(xiàn)各種復雜二維及三維圖案或形狀的自組裝。在生物傳感領(lǐng)域，傳統(tǒng)的生物傳感技術(shù)在靈敏度、特異性以及對復雜生物樣品的檢測能力等方面存在一定的局限性。而DNA納米材料憑借其獨特的優(yōu)勢，為生物傳感帶來了新的契機。DNA納米材料可精確設(shè)計和合成，能夠構(gòu)建出具有特定形狀、尺寸和功能的納米結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以作為生物分子的特異性識別元件、信號放大標簽以及傳感器的構(gòu)建平臺。例如，利用DNA納米結(jié)構(gòu)的可編程性，可以設(shè)計出對特定生物分子具有高度親和力和特異性的探針，實現(xiàn)對生物標志物的高靈敏度檢測，在疾病早期診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。蛋白質(zhì)機器在生命過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，如參與細胞代謝、信號傳導、物質(zhì)運輸?shù)汝P(guān)鍵生理活動。然而，天然蛋白質(zhì)機器的功能和應(yīng)用受到一定限制，研發(fā)新型蛋白質(zhì)機器成為拓展其應(yīng)用的關(guān)鍵。DNA納米材料可與蛋白質(zhì)相結(jié)合，形成新型的雜化體系。一方面，DNA納米結(jié)構(gòu)可以作為蛋白質(zhì)的支架，精確控制蛋白質(zhì)的空間排列和相互作用，從而調(diào)控蛋白質(zhì)的功能；另一方面，DNA納米材料的引入還可以賦予蛋白質(zhì)機器新的特性，如響應(yīng)外界刺激的智能性、靶向特定細胞或組織的能力等，為開發(fā)新型生物治療藥物、生物催化體系以及生物分子器件等提供了新的策略和途徑。DNA納米材料在生物傳感和蛋白質(zhì)機器領(lǐng)域的研究，不僅能夠推動生物醫(yī)學、生物技術(shù)等相關(guān)學科的發(fā)展，為疾病診斷、治療和生物制造等提供新的技術(shù)手段和方法，還具有巨大的潛在應(yīng)用價值和廣闊的市場前景，有望在未來的生命科學研究和臨床實踐中發(fā)揮重要作用。1.2研究目的與主要內(nèi)容本研究旨在深入探索DNA納米材料的設(shè)計方法，并系統(tǒng)研究其在生物傳感和蛋白質(zhì)機器領(lǐng)域的應(yīng)用，為拓展DNA納米技術(shù)的應(yīng)用范圍和推動生物醫(yī)學相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供理論支持和技術(shù)基礎(chǔ)。具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面：DNA納米材料的設(shè)計與制備：深入研究DNA納米材料的設(shè)計原理和方法，包括基于自組裝原理的各種DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略，如經(jīng)典的DX結(jié)構(gòu)、DNA折紙術(shù)以及新興的混合交叉結(jié)構(gòu)等的設(shè)計與優(yōu)化。探索不同設(shè)計參數(shù)對DNA納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、形貌和功能的影響規(guī)律，通過理論模擬和實驗驗證相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對DNA納米結(jié)構(gòu)的精準設(shè)計和可控制備。此外，研究開發(fā)新型的DNA納米材料制備技術(shù)，提高制備效率和產(chǎn)物質(zhì)量，降低制備成本，為DNA納米材料的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。DNA納米材料在生物傳感中的應(yīng)用研究：基于DNA納米材料的獨特性質(zhì)，構(gòu)建新型的生物傳感平臺。利用DNA納米結(jié)構(gòu)的可編程性和特異性識別能力，設(shè)計并制備對生物標志物具有高靈敏度和特異性的DNA納米探針，用于生物分子（如蛋白質(zhì)、核酸、小分子等）的檢測和分析。研究DNA納米探針與生物標志物之間的相互作用機制，優(yōu)化傳感體系的性能，提高檢測的靈敏度、準確性和選擇性。結(jié)合電化學、光學、熒光等檢測技術(shù)，開發(fā)基于DNA納米材料的新型生物傳感器，并將其應(yīng)用于疾病早期診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測等實際場景，驗證其實際應(yīng)用價值和可行性。DNA納米材料在蛋白質(zhì)機器中的應(yīng)用研究：探索DNA納米材料與蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)建新型蛋白質(zhì)機器的方法和策略，研究DNA納米結(jié)構(gòu)作為蛋白質(zhì)支架對蛋白質(zhì)空間排列和相互作用的調(diào)控機制。通過精確控制蛋白質(zhì)在DNA納米結(jié)構(gòu)上的定位和取向，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)功能的精準調(diào)控，開發(fā)具有新型功能的蛋白質(zhì)機器。研究DNA納米材料賦予蛋白質(zhì)機器的新特性，如響應(yīng)外界刺激的智能性、靶向特定細胞或組織的能力等，探索其在生物治療、生物催化、生物分子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為解決生物醫(yī)學和生物技術(shù)領(lǐng)域的實際問題提供新的途徑和方法。二、DNA納米材料的設(shè)計原理與方法2.1DNA納米材料設(shè)計原理2.1.1堿基配對原則DNA納米材料的設(shè)計核心是基于堿基配對原則，即腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）通過兩個氫鍵互補配對，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）通過三個氫鍵互補配對。這種精確的堿基互補配對特性，為DNA納米結(jié)構(gòu)的精準構(gòu)建提供了堅實基礎(chǔ)。例如，在構(gòu)建DNA雙鏈結(jié)構(gòu)時，兩條單鏈上的堿基嚴格按照A-T、C-G的配對規(guī)則相互結(jié)合，形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，就像搭建精密的分子拼圖，每個堿基都有其特定的配對伙伴，從而確保了DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和準確性。在構(gòu)建更為復雜的DNA納米結(jié)構(gòu)時，堿基配對原則同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以DNA折紙術(shù)為例，通過精心設(shè)計長鏈DNA（通常為噬菌體M13mp18的基因組DNA）與眾多短鏈DNA（即訂書釘鏈）的堿基序列，使短鏈DNA在長鏈DNA的特定位置按照堿基配對原則進行雜交，從而將長鏈DNA折疊成預先設(shè)計的各種二維或三維形狀，如矩形、三角形、五角星乃至復雜的三維多面體等。這種精確的堿基配對操控，就如同在分子層面進行精細的雕刻，能夠?qū)崿F(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的原子級精準設(shè)計，使科學家可以按照自己的意愿構(gòu)建出具有特定形狀、尺寸和功能的DNA納米結(jié)構(gòu)，為DNA納米技術(shù)在生物傳感、藥物輸送、納米機器人等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.1.2影響設(shè)計的因素在DNA納米材料的設(shè)計過程中，諸多因素會對設(shè)計產(chǎn)生重要影響，這些因素相互關(guān)聯(lián)，共同決定了最終DNA納米結(jié)構(gòu)的性能和應(yīng)用潛力。DNA鏈的穩(wěn)定性是設(shè)計中需要重點考慮的因素之一。穩(wěn)定的DNA鏈對于維持納米結(jié)構(gòu)的完整性和功能至關(guān)重要。DNA鏈的穩(wěn)定性受到多種因素的影響，包括堿基組成、序列長度、離子強度以及溫度等。富含G-C堿基對的DNA鏈通常具有較高的穩(wěn)定性，因為G-C之間形成的三個氫鍵比A-T之間的兩個氫鍵更強，使得DNA雙鏈結(jié)構(gòu)更加緊密和穩(wěn)定。DNA鏈的長度也會影響其穩(wěn)定性，較長的DNA鏈往往具有更高的熱力學穩(wěn)定性，但同時也可能增加合成難度和成本。此外，溶液中的離子強度和溫度對DNA鏈的穩(wěn)定性也有顯著影響。適當?shù)碾x子強度（如生理條件下的鈉離子、鎂離子濃度）可以屏蔽DNA鏈上磷酸基團之間的靜電排斥力，增強DNA雙鏈的穩(wěn)定性；而溫度過高則可能導致DNA雙鏈解鏈，破壞納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在設(shè)計DNA納米結(jié)構(gòu)時，需要綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化堿基序列和選擇合適的反應(yīng)條件，確保DNA鏈具有足夠的穩(wěn)定性，以維持納米結(jié)構(gòu)在預期應(yīng)用環(huán)境中的功能?？刹僮餍砸彩窃O(shè)計中不可忽視的因素。DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)便于實際操作和制備，包括DNA鏈的合成、組裝以及后續(xù)的修飾和功能化等過程。在DNA鏈的合成方面，目前主要采用化學合成法，但隨著結(jié)構(gòu)復雜度的增加，合成難度和成本也會顯著提高。因此，設(shè)計時需要考慮如何簡化DNA序列，減少合成步驟，降低成本。在組裝過程中，需要選擇合適的組裝方法和條件，確保DNA鏈能夠高效、準確地自組裝成預期的納米結(jié)構(gòu)。一些復雜的三維DNA納米結(jié)構(gòu)可能需要精確控制組裝溫度、時間、離子濃度等參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的組裝效果。此外，DNA納米結(jié)構(gòu)的可操作性還體現(xiàn)在其與其他物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、納米粒子等）的結(jié)合和相互作用上。設(shè)計的DNA納米結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的兼容性，便于與其他功能分子或材料進行連接和復合，以拓展其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)的可重復性是衡量DNA納米材料設(shè)計優(yōu)劣的重要指標?？芍貜托愿叩脑O(shè)計能夠保證在不同實驗條件下或不同實驗室之間，都能穩(wěn)定地制備出具有相同結(jié)構(gòu)和性能的DNA納米結(jié)構(gòu)。這對于DNA納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用至關(guān)重要，因為只有可重復的實驗結(jié)果才能為進一步的研究和實際應(yīng)用提供可靠的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可重復性，設(shè)計過程中需要嚴格控制各種參數(shù)，包括DNA序列的準確性、反應(yīng)條件的一致性以及組裝方法的標準化等。使用高質(zhì)量的DNA合成試劑和精確的實驗儀器，確保DNA序列的合成誤差最小化；建立標準化的組裝流程和操作規(guī)范，嚴格控制反應(yīng)溫度、時間、pH值等條件，以保證每次實驗都能得到相同的結(jié)果。規(guī)模化生產(chǎn)的可能性也是設(shè)計DNA納米材料時需要考慮的關(guān)鍵因素。隨著DNA納米技術(shù)逐漸從實驗室研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，對DNA納米材料的需求量將大幅增加，因此實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)是推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必要條件。目前，DNA納米材料的制備大多還處于實驗室小規(guī)模合成階段，成本高、產(chǎn)量低，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。在設(shè)計時，需要探索新的制備方法和技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，以實現(xiàn)DNA納米材料的規(guī)模化生產(chǎn)。例如，開發(fā)自動化的DNA合成和組裝設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高原材料利用率等，都是實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的有效途徑。2.2DNA納米材料的構(gòu)建方法2.2.1化學合成法化學合成法是構(gòu)建DNA納米材料的重要手段之一，其原理基于有機合成化學，通過一系列化學反應(yīng)逐步連接核苷酸單體，從而合成具有特定序列的DNA單鏈。目前，廣泛應(yīng)用的DNA化學合成技術(shù)是固相亞磷酰胺三酯法。在該方法中，首先將第一個核苷酸固定在固相載體（如可控孔徑玻璃珠）上，然后通過亞磷酰胺三酯活化的核苷酸單體在縮合劑的作用下，與固相載體上的核苷酸進行偶聯(lián)反應(yīng)，形成磷酸二酯鍵。在每次偶聯(lián)反應(yīng)后，需要進行封閉、氧化等步驟，以保護未反應(yīng)的基團并將亞磷酯鍵轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的磷酸三酯鍵。通過不斷重復這些步驟，按照預設(shè)的序列逐步添加核苷酸單體，最終合成出目標DNA單鏈。合成得到的DNA單鏈在一定條件下能夠自組裝成所需的納米結(jié)構(gòu)。這一過程主要依賴于堿基互補配對原則，單鏈DNA之間通過互補堿基對的相互作用自發(fā)地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的雙鏈或更復雜的多鏈結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建簡單的DNA雙鏈納米結(jié)構(gòu)時，只需合成兩條互補的DNA單鏈，將它們混合在適當?shù)木彌_溶液中，通過緩慢降溫退火處理，兩條單鏈就會按照堿基配對原則相互結(jié)合，形成雙鏈DNA納米結(jié)構(gòu)。對于更復雜的DNA納米結(jié)構(gòu)，如DNA四面體、DNA納米籠等，則需要精心設(shè)計多條具有特定序列和互補區(qū)域的DNA單鏈。這些單鏈在溶液中通過精確的堿基配對相互識別和結(jié)合，逐步組裝成具有特定三維形狀和結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建DNA四面體時，通常設(shè)計四條具有特定序列的DNA單鏈，每條單鏈的末端部分與其他單鏈的相應(yīng)區(qū)域互補配對。當這四條單鏈在合適的條件下混合時，它們會通過堿基配對相互連接，最終形成一個由四個頂點和六條邊組成的四面體納米結(jié)構(gòu)。這種自組裝過程具有高度的特異性和精確性，能夠?qū)崿F(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的精準構(gòu)建?；瘜W合成法具有諸多優(yōu)點。它能夠精確控制DNA的序列和長度，這使得科學家可以根據(jù)具體需求設(shè)計并合成具有特定功能的DNA納米結(jié)構(gòu)。通過改變DNA序列中的堿基組成和排列順序，可以調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、電荷分布以及與其他分子的相互作用特性。化學合成法合成的DNA純度較高，能夠滿足對DNA質(zhì)量要求嚴格的實驗和應(yīng)用需求。然而，該方法也存在一定的局限性。隨著DNA鏈長度的增加和結(jié)構(gòu)復雜度的提高，合成難度和成本會顯著增加。對于一些包含數(shù)百個甚至數(shù)千個堿基的長鏈DNA或具有復雜拓撲結(jié)構(gòu)的DNA納米結(jié)構(gòu)，化學合成的效率較低，成本高昂，限制了其大規(guī)模制備和應(yīng)用。此外，化學合成過程中可能會引入一些副反應(yīng)和雜質(zhì)，需要進行嚴格的純化和質(zhì)量控制，這也增加了制備過程的復雜性和成本。2.2.2模板導向法模板導向法是構(gòu)建DNA納米材料的另一種重要策略，其核心原理是利用特定的模板來引導DNA鏈的組裝，從而形成具有特定形狀和功能的納米結(jié)構(gòu)。在模板導向法中，常用的模板包括蛋白質(zhì)、其他DNA結(jié)構(gòu)以及一些具有特定形貌的納米材料等。以蛋白質(zhì)為模板時，蛋白質(zhì)獨特的三維結(jié)構(gòu)和表面化學性質(zhì)為DNA鏈的組裝提供了精確的定位信息。蛋白質(zhì)表面存在著許多具有特定化學性質(zhì)的氨基酸殘基，這些殘基可以與DNA鏈上的特定基團通過靜電相互作用、氫鍵、范德華力等非共價相互作用發(fā)生特異性結(jié)合。科學家可以通過基因工程技術(shù)對蛋白質(zhì)進行修飾，在其表面引入能夠與DNA特異性結(jié)合的標簽或結(jié)構(gòu)域，進一步增強蛋白質(zhì)與DNA的相互作用和組裝的特異性。在構(gòu)建基于蛋白質(zhì)模板的DNA納米結(jié)構(gòu)時，首先將經(jīng)過修飾的蛋白質(zhì)與具有互補序列的DNA鏈在適當?shù)木彌_溶液中混合。DNA鏈會在蛋白質(zhì)模板的引導下，通過堿基互補配對和與蛋白質(zhì)表面的特異性相互作用，在蛋白質(zhì)表面特定位置進行組裝。如果蛋白質(zhì)表面修飾了多個能夠與不同DNA鏈特異性結(jié)合的位點，那么多條DNA鏈就可以在蛋白質(zhì)模板上按照預定的方式進行組裝，形成復雜的DNA納米結(jié)構(gòu)。這種方法可以精確控制DNA鏈在蛋白質(zhì)表面的位置和取向，實現(xiàn)對DNA納米結(jié)構(gòu)空間排列的精準調(diào)控，為構(gòu)建具有特定功能的生物分子復合物提供了有力手段。利用其他DNA結(jié)構(gòu)作為模板也是模板導向法的常見應(yīng)用。例如，已有的DNA折紙結(jié)構(gòu)可以作為模板，引導新的DNA鏈在其表面進行組裝。DNA折紙結(jié)構(gòu)是通過將一條長鏈DNA（通常為噬菌體M13mp18的基因組DNA）與眾多短鏈DNA（訂書釘鏈）按照堿基配對原則進行折疊組裝而成的具有特定形狀的二維或三維納米結(jié)構(gòu)。在以DNA折紙結(jié)構(gòu)為模板的組裝過程中，新設(shè)計的DNA鏈會與DNA折紙結(jié)構(gòu)表面的特定區(qū)域通過堿基互補配對相互結(jié)合。這些新結(jié)合的DNA鏈可以進一步與其他分子或納米材料進行連接，從而拓展DNA納米結(jié)構(gòu)的功能。通過在DNA折紙結(jié)構(gòu)表面特定位置組裝具有熒光標記的DNA鏈，可以構(gòu)建出用于生物成像的熒光納米探針；或者在DNA折紙結(jié)構(gòu)表面組裝能夠與特定生物分子特異性結(jié)合的DNA適配體鏈，用于生物分子的檢測和分析。模板導向法具有顯著的優(yōu)勢。它能夠利用模板的固有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，實現(xiàn)對DNA納米結(jié)構(gòu)的精確組裝和空間調(diào)控。通過選擇不同的模板和設(shè)計相應(yīng)的DNA鏈，可以構(gòu)建出具有各種復雜形狀和功能的DNA納米結(jié)構(gòu)，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。模板導向法還可以提高DNA納米結(jié)構(gòu)的組裝效率和穩(wěn)定性。模板為DNA鏈的組裝提供了一個有序的框架，使得DNA鏈能夠更快速、準確地找到其互補配對的位置，從而提高組裝效率。模板與DNA鏈之間的相互作用也有助于增強納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使其在復雜的環(huán)境中能夠保持結(jié)構(gòu)完整性和功能活性。2.2.3程序化組裝法程序化組裝法是一種基于DNA分子可編程性的新型組裝策略，通過精心設(shè)計具有特定相互作用的DNA片段，使其在溶液中按照預設(shè)的程序進行組裝，從而形成復雜的納米結(jié)構(gòu)。這種方法的核心在于對DNA序列和相互作用的精確設(shè)計，以實現(xiàn)對組裝過程和最終結(jié)構(gòu)的精準控制。在程序化組裝法中，首先需要根據(jù)目標納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和功能要求，利用計算機輔助設(shè)計軟件對DNA片段的序列進行詳細設(shè)計。設(shè)計過程中充分考慮堿基互補配對原則，通過合理安排DNA片段上的互補堿基區(qū)域，使不同的DNA片段之間能夠按照預定的方式相互識別和結(jié)合。為了構(gòu)建一個具有特定形狀的二維DNA納米陣列，設(shè)計多個具有特定序列的DNA瓦片（DNAtile）。每個DNA瓦片由若干條DNA鏈組成，這些DNA鏈之間通過堿基配對形成穩(wěn)定的雙鏈結(jié)構(gòu)，并且在瓦片的邊緣部分設(shè)計有特定的互補粘性末端。這些粘性末端的堿基序列經(jīng)過精心設(shè)計，使得不同的DNA瓦片之間能夠通過粘性末端的互補配對，按照預定的排列方式進行連接，最終組裝成所需的二維納米陣列。在設(shè)計DNA片段時，還可以引入一些特殊的相互作用元件，以增加組裝過程的可控性和靈活性。例如，利用DNA適配體與特定配體之間的特異性結(jié)合作用，實現(xiàn)對組裝過程的調(diào)控。DNA適配體是一類經(jīng)過篩選得到的能夠與特定分子（如蛋白質(zhì)、小分子等）發(fā)生高親和力特異性結(jié)合的單鏈DNA分子。在程序化組裝中，可以將DNA適配體設(shè)計到DNA片段中，當體系中存在相應(yīng)的配體時，配體與DNA適配體結(jié)合，從而引發(fā)DNA片段之間的相互作用和組裝。這種基于適配體-配體相互作用的程序化組裝方式，為構(gòu)建響應(yīng)性DNA納米結(jié)構(gòu)提供了新的途徑，使得納米結(jié)構(gòu)能夠?qū)ν饨缣囟ㄐ盘栕龀鲰憫?yīng)，實現(xiàn)智能調(diào)控功能。程序化組裝法的組裝流程通常包括以下步驟：首先，將設(shè)計好的DNA片段按照一定的比例溶解在適當?shù)木彌_溶液中，形成均勻的混合溶液。然后，通過調(diào)節(jié)溶液的溫度、離子強度、pH值等條件，為DNA片段的組裝創(chuàng)造適宜的環(huán)境。在合適的條件下，DNA片段之間開始通過堿基互補配對和其他預設(shè)的相互作用進行自發(fā)組裝。在組裝過程中，可以利用一些分析技術(shù)（如原子力顯微鏡、凝膠電泳等）對組裝進程進行實時監(jiān)測，以確保組裝過程按照預定的程序進行，并及時調(diào)整組裝條件，保證最終得到高質(zhì)量的DNA納米結(jié)構(gòu)。程序化組裝法具有高度的靈活性和可編程性，能夠構(gòu)建出各種復雜的納米結(jié)構(gòu)，為DNA納米技術(shù)在生物醫(yī)學、納米電子學、納米機器人等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強大的技術(shù)支持。通過合理設(shè)計DNA片段的序列和相互作用，科學家可以實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的原子級精準控制，制備出具有特定功能和應(yīng)用價值的DNA納米材料。三、DNA納米材料在生物傳感中的應(yīng)用3.1DNA納米生物傳感系統(tǒng)的構(gòu)建3.1.1DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與合成在構(gòu)建DNA納米生物傳感系統(tǒng)時，DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與合成是關(guān)鍵的第一步。自組裝方法是目前最為常用且重要的手段之一。這種方法充分利用了DNA分子獨特的堿基互補配對原則，通過精心設(shè)計DNA鏈的序列，使其在適當?shù)臈l件下能夠自發(fā)地組裝成具有特定形狀和功能的納米結(jié)構(gòu)。以DNA四面體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與合成為例，其通常由四條具有特定序列的DNA單鏈組成。在設(shè)計這些單鏈時，需精確規(guī)劃每條鏈的堿基排列順序，使得它們之間能夠通過堿基互補配對形成穩(wěn)定的四面體結(jié)構(gòu)。具體而言，每條單鏈的部分區(qū)域與其他單鏈的相應(yīng)區(qū)域互補，通過這些互補區(qū)域的相互作用，四條單鏈能夠有序地連接在一起，最終構(gòu)建出具有四個頂點和六條邊的四面體納米結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性和剛性，為后續(xù)的生物傳感應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。在合成DNA四面體時，首先按照設(shè)計好的序列通過化學合成法制備出四條DNA單鏈。將這四條單鏈按照一定的比例溶解在含有適當離子濃度的緩沖溶液中，常見的離子如鎂離子可以穩(wěn)定DNA雙鏈結(jié)構(gòu)，促進自組裝過程。然后，通過緩慢降溫退火的方式，使溶液從高溫逐漸冷卻至室溫。在這個過程中，DNA單鏈會逐漸找到其互補配對的區(qū)域并結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)DNA四面體的自組裝。除了DNA四面體，DNA折紙術(shù)也是構(gòu)建復雜DNA納米結(jié)構(gòu)的重要方法。利用DNA折紙術(shù)，可以將一條長鏈DNA（通常為噬菌體M13mp18的基因組DNA）與眾多短鏈DNA（即訂書釘鏈）進行組裝，形成各種形狀的二維或三維納米結(jié)構(gòu)，如矩形、三角形、五角星乃至復雜的三維多面體等。在設(shè)計DNA折紙結(jié)構(gòu)時，需要借助計算機輔助設(shè)計軟件，精確規(guī)劃長鏈DNA與訂書釘鏈之間的堿基互補關(guān)系，以及訂書釘鏈在長鏈DNA上的結(jié)合位置。通過這種精確的設(shè)計，可以實現(xiàn)對DNA折紙結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的精準控制。在合成過程中，將長鏈DNA與大量的訂書釘鏈混合在適當?shù)木彌_溶液中，經(jīng)過特定的溫度循環(huán)處理，如先加熱使DNA鏈變性，然后緩慢降溫退火，使訂書釘鏈能夠按照設(shè)計與長鏈DNA進行雜交，最終折疊形成預期的DNA折紙結(jié)構(gòu)。3.1.2功能化修飾為了使DNA納米結(jié)構(gòu)具備特定的生物傳感功能，需要對其進行功能化修飾，即在DNA納米結(jié)構(gòu)上添加各種生物傳感元件，通過這些元件與目標生物分子之間的特異性相互作用，實現(xiàn)對生物分子的檢測和分析。一種常見的功能化修飾方法是在DNA納米結(jié)構(gòu)上連接DNA適配體。DNA適配體是一類經(jīng)過篩選得到的能夠與特定分子（如蛋白質(zhì)、小分子等）發(fā)生高親和力特異性結(jié)合的單鏈DNA分子。通過將針對目標生物分子的DNA適配體修飾到DNA納米結(jié)構(gòu)表面，當體系中存在目標生物分子時，DNA適配體能夠迅速與其結(jié)合，從而引發(fā)DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化或其他物理化學性質(zhì)的改變。這種變化可以通過各種檢測技術(shù)進行監(jiān)測，進而實現(xiàn)對目標生物分子的檢測。在檢測特定蛋白質(zhì)時，將與該蛋白質(zhì)具有特異性結(jié)合能力的DNA適配體連接到DNA納米結(jié)構(gòu)的表面。當?shù)鞍踪|(zhì)存在時，DNA適配體與蛋白質(zhì)特異性結(jié)合，導致DNA納米結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象發(fā)生變化。這種構(gòu)象變化可能會影響DNA納米結(jié)構(gòu)上標記的熒光分子的熒光強度、熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率等光學性質(zhì)。通過檢測這些光學信號的變化，就可以實現(xiàn)對蛋白質(zhì)的定性和定量檢測。在DNA納米結(jié)構(gòu)上標記熒光分子也是一種重要的功能化修飾手段。熒光分子具有獨特的光學性質(zhì)，在受到特定波長的光激發(fā)時會發(fā)出熒光。將熒光分子標記到DNA納米結(jié)構(gòu)上，可以利用熒光信號來指示DNA納米結(jié)構(gòu)與目標生物分子之間的相互作用。常用的熒光分子有熒光素、羅丹明等，它們可以通過化學偶聯(lián)的方式連接到DNA鏈的特定位置。在構(gòu)建用于檢測核酸的DNA納米生物傳感器時，將熒光分子標記在DNA探針鏈上，當DNA探針與目標核酸發(fā)生雜交反應(yīng)時，熒光分子的環(huán)境發(fā)生變化，導致其熒光強度、熒光壽命等參數(shù)發(fā)生改變。通過檢測這些熒光參數(shù)的變化，就可以實現(xiàn)對目標核酸的靈敏檢測。此外，還可以利用熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）原理，在DNA納米結(jié)構(gòu)上同時標記供體熒光分子和受體熒光分子。當目標生物分子與DNA納米結(jié)構(gòu)結(jié)合導致供體和受體之間的距離發(fā)生變化時，F(xiàn)RET效率也會相應(yīng)改變，從而通過檢測FRET信號的變化來實現(xiàn)對目標生物分子的檢測。3.2應(yīng)用案例分析3.2.1黃曲霉毒素B1檢測江蘇大學張禎教授課題組通過深入研究MOFs與核酸的相互作用，開發(fā)出一種基于此原理的熒光/比色雙模檢測方法，用于黃曲霉毒素B1的檢測，取得了令人矚目的成果。該方法以多功能金屬有機框架（MOFs）（FeTCPP?UiO-66）為核心研究對象，其合成過程是將血紅素樣配體FeTCPP巧妙地整合到常用的MOFs（UiO-66）中。實驗結(jié)果表明，吸附在FeTCPP?UiO-66上的熒光標記DNA會通過光誘導電子轉(zhuǎn)移（PET）、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）和內(nèi)部過濾效應(yīng)（IFE）被猝滅。在不同的DNA結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)AM標記的單鏈DNA（ssDNA）和發(fā)夾DNA能夠緊密地吸附在FeTCPP?UiO-66上，并伴隨著明顯的熒光猝滅現(xiàn)象。這是因為ssDNA和發(fā)夾DNA的結(jié)構(gòu)特點使其能夠與FeTCPP?UiO-66充分接觸，從而引發(fā)強烈的PET、FRET和IFE過程，導致熒光信號的顯著降低。然而，粘端雙鏈DNA（dsDNA）和適體-靶標結(jié)合物雖然也能被FeTCPP?UiO-66吸附，但這種吸附阻礙了響應(yīng)靶標刺激的熒光信號的產(chǎn)生。相比之下，雜交鏈式反應(yīng)（HCR）產(chǎn)生的長dsDNA在FeTCPP?UiO-66猝滅中卻可以很大程度上保留熒光，這一特性為信號放大提供了可能。HCR產(chǎn)生的長dsDNA具有特殊的結(jié)構(gòu)，其空間構(gòu)象使得熒光基團與FeTCPP?UiO-66之間的相互作用較弱，從而減少了熒光猝滅的程度，使得熒光信號能夠得以保留。DNA探針的結(jié)構(gòu)依賴性吸附行為對FeTCPP?UiO-66的過氧化物酶樣活性也有著顯著影響。由于ssDNA具有柔性結(jié)構(gòu)，且與FeTCPP?UiO-66存在強大的相互作用力，它可以通過阻斷底物的可及性來最大限度地抑制FeTCPP?UiO-66的活性。這種抑制作用強烈依賴于ssDNA的鏈長，鏈長越長，抑制效果越明顯；但與堿基組成無關(guān)。實驗數(shù)據(jù)表明，當ssDNA的濃度逐漸增加時，F(xiàn)eTCPP?UiO-66對ABTS和TMB的催化活性逐漸降低，呈現(xiàn)出明顯的濃度依賴性。基于上述研究成果，研究團隊建立了一種用于快速、高靈敏度檢測黃曲霉毒素B1（AFB1）的雙模生物傳感器。該傳感器的工作原理是利用AFB1與特定DNA適配體的特異性結(jié)合，引發(fā)DNA納米結(jié)構(gòu)的變化，進而導致熒光信號和比色信號的改變。當AFB1存在時，它會與DNA適配體結(jié)合，使原本吸附在FeTCPP?UiO-66上的熒光標記DNA發(fā)生構(gòu)象變化或脫離，從而導致熒光信號的恢復；同時，F(xiàn)eTCPP?UiO-66的過氧化物酶樣活性也會發(fā)生改變，引起比色信號的變化。通過檢測這兩種信號的變化，即可實現(xiàn)對AFB1的定性和定量檢測。在實際檢測中，該傳感器對0至324.0nM的不同濃度的AFB1均能產(chǎn)生明顯的紫外-可見吸收光譜響應(yīng)，在418nm處的吸光度與AFB1濃度在1.0至144.0nM范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。傳感器的熒光光譜對0至259.2nM的不同濃度的AFB1也有顯著響應(yīng)，在520nm處的熒光強度與AFB1濃度在0.1至259.2nM范圍內(nèi)線性相關(guān)。這種雙信號相互驗證的方式有效地克服了環(huán)境干擾，大大提高了檢測的準確性和可靠性，為黃曲霉毒素B1的檢測提供了一種高效、靈敏的新方法。3.2.2多種生物分子檢測DNA納米生物傳感系統(tǒng)憑借其獨特的優(yōu)勢，在多種生物分子檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)、核酸、細胞等生物分子進行高靈敏度和特異性的檢測。在蛋白質(zhì)檢測方面，利用DNA納米結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)之間的特異性相互作用，結(jié)合熒光標記技術(shù)，可以實現(xiàn)對蛋白質(zhì)的靈敏檢測。將針對特定蛋白質(zhì)的DNA適配體修飾到DNA納米結(jié)構(gòu)表面，當目標蛋白質(zhì)存在時，DNA適配體與蛋白質(zhì)特異性結(jié)合，導致DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)象發(fā)生變化。這種構(gòu)象變化會影響DNA納米結(jié)構(gòu)上標記的熒光分子的熒光強度、熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率等光學性質(zhì)。通過檢測這些光學信號的變化，就可以實現(xiàn)對蛋白質(zhì)的定性和定量檢測。在檢測腫瘤標志物甲胎蛋白（AFP）時，設(shè)計一種基于DNA四面體結(jié)構(gòu)的生物傳感器。將與AFP具有高親和力的DNA適配體連接到DNA四面體的頂點，同時在DNA鏈上標記熒光分子。當AFP存在時，它會與DNA適配體結(jié)合，使得DNA四面體的結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，熒光分子之間的距離和相對取向改變，從而導致熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率發(fā)生變化。通過檢測熒光共振能量轉(zhuǎn)移信號的變化，就可以準確地檢測出AFP的濃度，實現(xiàn)對腫瘤的早期診斷和病情監(jiān)測。對于核酸檢測，DNA納米生物傳感系統(tǒng)主要基于DNA的堿基互補配對原則，通過設(shè)計與目標核酸序列互補的DNA探針，實現(xiàn)對核酸的特異性識別和檢測。將具有特定序列的DNA探針固定在DNA納米結(jié)構(gòu)表面，當目標核酸與DNA探針雜交時，會引起DNA納米結(jié)構(gòu)的電學或光學性質(zhì)發(fā)生變化。利用這種變化，結(jié)合電化學檢測技術(shù)或熒光檢測技術(shù)，就可以實現(xiàn)對核酸的快速、靈敏檢測。在檢測新冠病毒核酸時，設(shè)計一種基于DNA折紙結(jié)構(gòu)的電化學傳感器。將與新冠病毒核酸特定序列互補的DNA探針修飾到DNA折紙結(jié)構(gòu)的表面，并將其固定在電極表面。當新冠病毒核酸存在時，它會與DNA探針雜交，形成雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，從而改變電極表面的電荷分布和電子轉(zhuǎn)移速率。通過檢測電極表面的電化學信號變化，就可以快速、準確地檢測出新冠病毒核酸的存在，為疫情防控提供有力的技術(shù)支持。DNA納米生物傳感系統(tǒng)在細胞檢測方面也有重要應(yīng)用。通過設(shè)計與細胞表面標志物特異性結(jié)合的DNA探針，并將其修飾到DNA納米結(jié)構(gòu)表面，可以實現(xiàn)對特定細胞的識別和檢測。將針對腫瘤細胞表面特異性標志物的DNA適配體修飾到DNA納米顆粒表面，當這些DNA納米顆粒與腫瘤細胞接觸時，DNA適配體能夠特異性地結(jié)合到腫瘤細胞表面，使DNA納米顆粒聚集在腫瘤細胞周圍。通過檢測DNA納米顆粒的聚集程度或其光學性質(zhì)的變化，就可以實現(xiàn)對腫瘤細胞的檢測和定量分析。利用金納米顆粒修飾的DNA探針檢測乳腺癌細胞。將與乳腺癌細胞表面標志物HER2特異性結(jié)合的DNA適配體連接到金納米顆粒表面，當金納米顆粒與乳腺癌細胞相遇時，DNA適配體與HER2結(jié)合，使金納米顆粒在乳腺癌細胞表面聚集。由于金納米顆粒的表面等離子體共振特性，其聚集會導致溶液顏色發(fā)生明顯變化，通過肉眼觀察或光譜分析，就可以實現(xiàn)對乳腺癌細胞的快速檢測。四、DNA納米材料在蛋白質(zhì)機器中的應(yīng)用4.1DNA納米材料與蛋白質(zhì)機器的結(jié)合方式4.1.1構(gòu)建混合馬達細胞內(nèi)存在著多種線性生物分子機器，如肌球蛋白、肌動蛋白以及動力蛋白等，它們能夠沿著細胞骨架長距離移動，在物質(zhì)運輸、能量傳遞和信息傳導等生理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些蛋白質(zhì)機器的長距離運動特性，使其在納米尺度的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)的軌道骨架設(shè)計困難重重，且對機器在軌道上的精細調(diào)控面臨諸多挑戰(zhàn)，這在很大程度上限制了這類生物機器的實際應(yīng)用。日本國立信息通信技術(shù)研究所的Ken’yaFuruta教授團隊另辟蹊徑，通過結(jié)合動力蛋白和DNA結(jié)合蛋白，成功開發(fā)出一種基于蛋白質(zhì)的新型混合馬達，該馬達能夠在DNA納米管上高效移動。在構(gòu)建過程中，研究團隊運用蛋白質(zhì)工程技術(shù)，對單體人類細胞質(zhì)動力蛋白進行改造，用DNA結(jié)合域替換其原始的軌道結(jié)合域。與軌道的定向綁定是實現(xiàn)沿軌道單向移動的關(guān)鍵，為此，他們精心挑選了識別非回文DNA序列的DNA結(jié)合蛋白，如轉(zhuǎn)錄因子。通過傳統(tǒng)的滑動試驗評估系統(tǒng)的運動性質(zhì)，將馬達固定在玻璃表面，使DNA納米管在其上滑動。實驗結(jié)果令人驚喜，19種DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域中的11種能夠以序列特異性方式介導DNA納米管軌道的定向運動。DNA納米管的平均速度與混合馬達的類型密切相關(guān)，速度范圍從5.3到220nm/s不等。動力蛋白馬達結(jié)構(gòu)域的ATP水解對于DNA納米管運動起著至關(guān)重要的作用，當混合馬達的ATP酶缺陷突變體存在時，滑行運動便無法發(fā)生。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，DNA滑行速度與ATPase速率之間并非呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系，這表明除了ATPase速率外，結(jié)合動力學等其他因素也對滑行速度有著重要影響。為了探究不同DNA納米管結(jié)構(gòu)對混合馬達運動的影響，研究團隊制備了單鏈形式（SST）以及雙鏈交叉形式（DX）的納米管作為馬達軌道。SST管在控制管剛度方面具有獨特優(yōu)勢，而DNA納米管的剛度又會顯著影響滑行運動。實驗觀察到，四螺旋SST管呈現(xiàn)出交替的拉伸和收縮運動，這一現(xiàn)象在10和20螺旋SST管中并未出現(xiàn)。DX管則可用于精確控制馬達結(jié)合位點的數(shù)量，由于其擁有多個結(jié)合位點，能夠以螺旋或方格圖案進行放置。與SST管相比，每節(jié)包含三個結(jié)合位點的DX管的移位速度快了四倍，這主要是因為管上更多的結(jié)合位點有助于馬達更快地識別結(jié)合位點。然而，當結(jié)合位點過多時，反而會導致移動速度降低，這是由于過多的馬達之間相互干擾，阻礙了運動的順利進行。這種新型混合馬達的出現(xiàn)，為分子運輸領(lǐng)域帶來了新的變革。它不僅克服了傳統(tǒng)DNA軌道的諸多缺陷，如移動緩慢以及只能單次使用等問題，而且DNA軌道可以反復使用，大大提高了使用效率。同時，其運輸方向可通過簡單地翻轉(zhuǎn)DNA納米管中識別序列的方向進行編程控制，實現(xiàn)了對分子運輸方向性的精確調(diào)控。通過構(gòu)建不同類型的Y形分子轉(zhuǎn)運器，如分散器、聚合器、分選器和整合器等，利用混合馬達DNA結(jié)合域的正交性，成功實現(xiàn)了貨物的分散、聚集、分類和整合等功能，為構(gòu)建復雜的分子機器人系統(tǒng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。4.1.2設(shè)計納米天線監(jiān)測蛋白質(zhì)運動蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)發(fā)揮功能時，其結(jié)構(gòu)會隨時間發(fā)生動態(tài)變化，這些變化往往伴隨著獨特的信號產(chǎn)生。深入了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化和運動過程，對于揭示生物分子的功能機制、開發(fā)新型藥物以及設(shè)計高性能的納米機器具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段在分辨率、實時性和對復雜生物體系的適應(yīng)性等方面存在一定的局限性，難以滿足對蛋白質(zhì)動態(tài)行為進行精準監(jiān)測的需求。加拿大蒙特利爾大學的科學家們基于DNA開發(fā)出一種長度僅為5納米的熒光納米天線，為監(jiān)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化提供了一種全新的有力工具。該研究的靈感來源于DNA獨特的“類樂高”特性，近年來，化學家們逐漸認識到DNA可用于構(gòu)建各種納米結(jié)構(gòu)和納米機器，受此啟發(fā)，研究團隊成功制造出基于DNA的熒光納米天線。這種納米天線的工作原理類似于雙向無線電，既能接收一種顏色（波長）的光，又能根據(jù)感應(yīng)到的蛋白質(zhì)運動，以另一種顏色將光發(fā)射回來。通過檢測反射光的變化，研究人員可以實時獲取蛋白質(zhì)的運動信息，從而深入了解蛋白質(zhì)的功能機制。使用DNA設(shè)計納米天線具有諸多顯著優(yōu)勢。DNA相對簡單且可編程，研究人員能夠根據(jù)實際需求，通過調(diào)整DNA序列，制造出不同長度和靈活性的納米天線，以優(yōu)化其功能。DNA與熒光分子的連接操作相對簡便，將熒光納米天線與生物納米機器（如酶）相連也較為容易實現(xiàn)。通過仔細調(diào)整納米天線的設(shè)計，研究團隊成功創(chuàng)造出五納米長的天線，當?shù)鞍踪|(zhì)發(fā)揮生物學功能時，該天線能夠產(chǎn)生不同的信號，從而實現(xiàn)對蛋白質(zhì)運動的精準監(jiān)測。利用這種熒光納米天線，研究團隊首次實現(xiàn)了對堿性磷酸酶功能的實時檢測。堿性磷酸酶與癌癥和腸道炎癥等許多疾病密切相關(guān)，對其功能的深入研究有助于揭示相關(guān)疾病的發(fā)病機制，為疾病的診斷和治療提供重要的理論依據(jù)。該納米天線還具有廣泛的應(yīng)用前景，它可以幫助化學家識別有前途的新藥，通過監(jiān)測藥物與蛋白質(zhì)的相互作用，評估藥物的療效和安全性。對于納米工程師而言，熒光納米天線能夠指導他們開發(fā)更好的納米機器，通過深入了解蛋白質(zhì)的運動規(guī)律，優(yōu)化納米機器的設(shè)計和性能。這種納米天線易于使用，世界各地配備傳統(tǒng)熒光分光光度計的實驗室均可方便地利用它們來研究蛋白質(zhì)，為蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域提供了一種便捷、高效的研究工具。4.2應(yīng)用案例分析4.2.1分子運輸系統(tǒng)在分子運輸系統(tǒng)中，基于DNA納米管軌道的分子運輸系統(tǒng)展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)分子運輸?shù)奶崴俸头较蚩刂?。日本國立信息通信技術(shù)研究所的Ken’yaFuruta教授團隊開發(fā)的基于蛋白質(zhì)的混合馬達，便是這一領(lǐng)域的典型代表。該混合馬達將動力蛋白和DNA結(jié)合蛋白相結(jié)合，使其能夠在DNA納米管上高效移動。在實現(xiàn)分子運輸提速方面，研究團隊通過蛋白質(zhì)工程技術(shù)對單體人類細胞質(zhì)動力蛋白進行改造，用DNA結(jié)合域替換其原始的軌道結(jié)合域。在傳統(tǒng)的DNA軌道運輸中，“DNAwalker”移動緩慢且只能單次使用，而改造后的混合馬達克服了這些缺陷。實驗數(shù)據(jù)表明，19種DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域中的11種能夠以序列特異性方式介導DNA納米管軌道的定向運動，DNA納米管的平均速度高度依賴于混合馬達的類型，速度范圍從5.3到220nm/s不等，相比傳統(tǒng)的DNA軌道運輸速度有了顯著提升。在DNA納米管結(jié)構(gòu)的選擇上，團隊制備了單鏈形式（SST）以及雙鏈交叉形式（DX）的納米管作為馬達軌道。SST管在控制管剛度方面具有優(yōu)勢，而DNA納米管的剛度會顯著影響滑行運動；DX管則可用于精確控制馬達結(jié)合位點的數(shù)量。研究發(fā)現(xiàn)，每節(jié)包含三個結(jié)合位點的DX管的移位速度比SST管快了四倍，這是因為管上更多的結(jié)合位點有助于馬達更快地識別結(jié)合位點，從而實現(xiàn)了分子運輸?shù)奶崴?。在方向控制方面，該分子運輸系統(tǒng)具有高度的可編程性?；旌像R達的傳輸方向可以通過簡單而通用的方式進行編程，即僅翻轉(zhuǎn)DNA納米管中識別序列的方向。通過使用相應(yīng)的燃料對不同端點進行標記，實驗結(jié)果清晰地表明，馬達運動的方向性由軌道上DNA結(jié)合域的方向決定。在構(gòu)建Y形分子轉(zhuǎn)運器時，通過合理設(shè)計Y形DNA納米管軌道上的識別序列方向，成功實現(xiàn)了貨物的分散、聚集、分類和整合等功能。在“分散器”中，放置LEF1識別序列，使LEF1-Dyn從Y形軌道的中心移動到外圍；在“聚合器”中，將方向設(shè)置為相反，從而實現(xiàn)了對分子運輸方向的精確控制。4.2.2內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)降解華東理工大學錢旭紅院士、楊泱泱教授團隊在蛋白靶向降解策略研究中取得了重要進展，他們構(gòu)建的靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的DNA納米裝置，為膜結(jié)合細胞器中蛋白質(zhì)降解提供了新的解決方案。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）是細胞內(nèi)重要的膜結(jié)合細胞器，蛋白質(zhì)在其中進行折疊和修飾，但蛋白質(zhì)的錯誤折疊和異常表達可能引發(fā)ER應(yīng)激，進而導致癌癥和神經(jīng)退行性疾病等。通過靶向蛋白降解（TPD）策略，調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)的豐度，對于治療相關(guān)疾病具有重要意義。該團隊構(gòu)建的凹形DNA折紙結(jié)構(gòu)（cDOS），由179個短鏈DNA及M13mp18支鏈在四步過程中混合、退火合成。為了實現(xiàn)cDOS對腫瘤細胞的特異性攝取，團隊制備了具有腫瘤微酸性環(huán)境響應(yīng)性的核酸-多肽偶聯(lián)物（AMR）作為人工受體。在弱酸性條件下，pHLIP-ON（AMR的一種）可以插入細胞膜，隨后含有AMR互補序列鏈的cDOS通過與AMR雜交錨定在細胞表面，并開啟跨膜攝取。定量實時PCR(qPCR)實驗表明，與單獨的cDOS相比，在AMR協(xié)助下，細胞內(nèi)定位過程中cDOS的攝取效率增加了大約18倍。由于腫瘤細胞微環(huán)境呈弱酸性，而健康細胞環(huán)境接近中性，因此該策略能夠?qū)崿F(xiàn)對腫瘤細胞的靶向攝取，而對健康細胞影響較小。cDOS進入細胞后，通過小窩蛋白介導的內(nèi)吞作用被細胞攝取，繼而被轉(zhuǎn)運至ER。共定位檢測實驗顯示，cDOS被內(nèi)吞4到6h后，主要集中在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上；在被內(nèi)吞6h后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體上的cDOS逐漸轉(zhuǎn)移至溶酶體；孵育12h后，cDOS有效地轉(zhuǎn)移至溶酶體進行降解。這是DNA納米結(jié)構(gòu)首次在沒有任何亞細胞靶向配體的幫助下顯示出亞細胞靶向能力。為了驗證該DNA納米裝置對膜結(jié)合細胞器中蛋白質(zhì)的降解效果，團隊選用了外源性ER駐留eGFP和內(nèi)源蛋白（葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78，GRP78）兩種ER定位蛋白進行研究。通過在cDOS上自組裝引入ER內(nèi)蛋白結(jié)合配體（Ligand-ON）構(gòu)建靶向蛋白降解體（L-cDOS），當L-cDOS被運送至ER后，其與ER內(nèi)的目標蛋白質(zhì)結(jié)合，最后依賴自噬-溶酶體途徑將結(jié)合的蛋白降解。免疫印跡法（WB）和免疫熒光成像技術(shù)驗證了ER-GFP和GRP78均能被有效降解。這表明該DNA納米裝置介導的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)可用于自噬-溶酶體途徑進行細胞器定位的蛋白質(zhì)降解，為治療與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)異常相關(guān)的疾病提供了一種新的有力工具。五、挑戰(zhàn)與展望5.1當前面臨的挑戰(zhàn)5.1.1穩(wěn)定性和可操作性問題DNA納米結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中面臨著穩(wěn)定性不足的問題。盡管DNA分子的堿基配對原則賦予了其一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但在復雜的生理環(huán)境或外界干擾條件下，DNA納米結(jié)構(gòu)仍可能發(fā)生解鏈、變形或降解。在生物體內(nèi)，存在著各種核酸酶，它們能夠特異性地識別并切割DNA分子，導致DNA納米結(jié)構(gòu)的破壞。血液中的核酸酶可以迅速降解進入血液循環(huán)的DNA納米材料，使其無法有效地發(fā)揮作用。溫度、pH值等環(huán)境因素的變化也會對DNA納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。當環(huán)境溫度升高或pH值偏離中性范圍時，DNA雙鏈之間的氫鍵會受到破壞，導致DNA納米結(jié)構(gòu)的解鏈和失活。這使得DNA納米結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的壽命和功能受到限制，難以滿足長期、穩(wěn)定的應(yīng)用需求。DNA納米結(jié)構(gòu)的操作困難也是一個亟待解決的問題。DNA納米結(jié)構(gòu)的制備過程通常較為復雜，需要精確控制多種實驗條件，如DNA鏈的合成、組裝反應(yīng)的溫度、離子濃度等。任何一個環(huán)節(jié)的偏差都可能導致組裝失敗或產(chǎn)物質(zhì)量不穩(wěn)定。在DNA折紙術(shù)制備過程中，需要將大量的短鏈DNA（訂書釘鏈）與長鏈DNA精確雜交，這對實驗操作的精度和重復性要求極高。DNA納米結(jié)構(gòu)的分離、純化和表征也面臨挑戰(zhàn)。由于DNA納米結(jié)構(gòu)的尺寸微小，其與雜質(zhì)的分離難度較大，常用的分離技術(shù)如離心、過濾等在處理DNA納米結(jié)構(gòu)時效果不佳。對DNA納米結(jié)構(gòu)的表征需要使用高分辨率的分析儀器，如原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡等，這些儀器設(shè)備昂貴，操作復雜，限制了DNA納米結(jié)構(gòu)研究的普及和推廣。5.1.2規(guī)?；a(chǎn)難題實現(xiàn)DNA納米材料的規(guī)?；a(chǎn)面臨著諸多技術(shù)和成本問題。在技術(shù)方面，目前DNA納米材料的制備方法大多基于實驗室小規(guī)模合成，難以直接放大到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模?；瘜W合成法雖然能夠精確控制DNA的序列，但合成過程繁瑣，效率低下，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。隨著DNA鏈長度和復雜度的增加，合成過程中的錯誤率也會顯著提高，進一步增加了規(guī)模化生產(chǎn)的難度。模板導向法和程序化組裝法雖然在構(gòu)建復雜DNA納米結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢，但也存在組裝效率低、產(chǎn)量有限等問題。這些方法通常需要精確控制反應(yīng)條件和模板的質(zhì)量，難以實現(xiàn)大規(guī)模的自動化生產(chǎn)。DNA納米材料規(guī)?；a(chǎn)的成本也是一個重要的制約因素。DNA合成的原材料成本較高，尤其是對于長鏈DNA和具有特殊修飾的DNA，其合成成本更為昂貴。復雜DNA納米結(jié)構(gòu)的制備過程中需要使用大量的短鏈DNA（如訂書釘鏈），這進一步增加了生產(chǎn)成本。在DNA折紙術(shù)制備過程中，需要合成數(shù)百條甚至數(shù)千條短鏈DNA，這些短鏈DNA的合成成本占據(jù)了整個制備成本的很大一部分。DNA納米材料的分離、純化和質(zhì)量控制過程也需要耗費大量的時間和資源，增加了生產(chǎn)成本。由于目前DNA納米材料的規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)尚未成熟，生產(chǎn)過程中的廢品率較高，也導致了成本的上升。高昂的生產(chǎn)成本使得DNA納米材料難以在實際應(yīng)用中大規(guī)模推廣，限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。5.2未來發(fā)展方向與前景5.2.1技術(shù)改進與創(chuàng)新為解決DNA納米材料穩(wěn)定性和可操作性的問題，未來可在設(shè)計和制備技術(shù)上進行深入探索。在穩(wěn)定性方面，研究人員可致力于開發(fā)新型的修飾策略，以增強DNA納米結(jié)構(gòu)抵抗外界干擾的能力。通過在DNA鏈上引入特殊的化學修飾基團，如甲基化、硫代磷酸化等，這些修飾不僅可以增加DNA鏈的化學穩(wěn)定性，減少核酸酶的降解作用，還可能改變DNA納米結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)，如電荷分布、親疏水性等，從而進一步提高其在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定性。探索使用新型的保護材料或載體與DNA納米結(jié)構(gòu)結(jié)合，形成復合體系，為DNA納米結(jié)構(gòu)提供額外的保護屏障。將DNA納米結(jié)構(gòu)包裹在具有生物相容性的聚合物微球或脂質(zhì)體中，不僅可以有效隔離核酸酶等有害物質(zhì)，還能改善DNA納米材料的體內(nèi)藥代動力學性質(zhì)，延長其在體內(nèi)的循環(huán)時間。在可操作性方面，開發(fā)更簡便、高效的制備方法是關(guān)鍵。進一步優(yōu)化自組裝條件，深入研究溫度、離子濃度、pH值等因素對自組裝過程的影響機制，通過精確控制這些條件，實現(xiàn)DNA納米結(jié)構(gòu)的快速、精準組裝。利用微流控技術(shù)，將DNA納米結(jié)構(gòu)的制備過程集成到微小的芯片上，實現(xiàn)自動化、高通量的生產(chǎn)。微流控芯片具有反應(yīng)體積小、反應(yīng)速度快、易于集成等優(yōu)點，可以精確控制反應(yīng)條件和反應(yīng)物的比例，大大提高制備效率和產(chǎn)物的均一性。借助人工智能和機器學習技術(shù)，優(yōu)化DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程。這些技術(shù)可以快速分析大量的實驗數(shù)據(jù)和理論模型，預測不同設(shè)計參數(shù)對DNA納米結(jié)構(gòu)性能的影響，從而輔助研究人員設(shè)計出更穩(wěn)定、更易于操作的DNA納米結(jié)構(gòu)。針對DNA納米材料規(guī)?；a(chǎn)的難題，未來可從多方面尋求突破。在技術(shù)革新方面，研發(fā)新型的規(guī)?；苽浼夹g(shù)，如連續(xù)流合成技術(shù)，該技術(shù)可以實現(xiàn)DNA的連續(xù)合成，大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。探索使用生物合成方法來制備DNA納米材料，利用微生物或細胞內(nèi)的天然合成機制，在生物體內(nèi)合成DNA納米結(jié)構(gòu)。這種方法具有成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，有望實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。在成本控制方面，優(yōu)化原材料的采購和使用，尋找更經(jīng)濟實惠的DNA合成原材料，提高原材料的利用率，減少浪費。改進生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)過程的自動化程度，降低人工成本。加強對生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，降低廢品率，進一步降低生產(chǎn)成本。通過這些技術(shù)改進與創(chuàng)新，有望推動DNA納米材料在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。5.2.2拓展應(yīng)用領(lǐng)域DNA納米材料在納米機器人領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。DNA納米結(jié)構(gòu)的可編程性和精確的自組裝能力，使其有望成為構(gòu)建納米機器人的理想材料。通過合理設(shè)計DNA納米結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建出具有特定功能的納米機器人組件，如納米馬達、納米傳感器、納米抓手等。將這些組件組裝在一起，就可以構(gòu)建出能夠在納米尺度上執(zhí)行各種任務(wù)的納米機器人。在生物醫(yī)學領(lǐng)域，納米機器人可以用于精準藥物遞送，通過設(shè)計特定的DNA序列，使納米機器人能夠識別并靶向特定的細胞或組織，將藥物精確地輸送到病變部位，提高藥物的療效，減少對健康組織的副作用。納米機器人還可以用于細胞內(nèi)的手術(shù)操作，如修復受損的DNA、切割異常的蛋白質(zhì)等，為疾病的治療提供新的手段。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，納米機器人可以用于檢測和清除環(huán)境中的污染物，通過設(shè)計對特定污染物具有特異性識別能力的DNA序列，使納米機器人能夠快速、準確地檢測到污染物的存在，并將其分解或清除。在納米電子學領(lǐng)域，DNA納米材料也展現(xiàn)出了獨特的應(yīng)用潛力。DNA分子具有良好的電學性質(zhì)和自組裝能力，可以作為構(gòu)建納米電子器件的基礎(chǔ)材料。利用DNA納米結(jié)構(gòu)作為模板，可以精確控制納米級電子元件的排列和連接，實現(xiàn)納米電路的構(gòu)建。通過將金屬納米粒子或半導體納米晶體等電子元件與DNA納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以制備出具有特定電學性能的納米電子器件。在DNA納米結(jié)構(gòu)上組裝金屬納米粒子，形成具有導電性能的納米導線，用于連接納米電子元件；或者將半導體納米晶體與DNA納米結(jié)構(gòu)結(jié)合，制備出具有光電轉(zhuǎn)換性能的納米器件，用于光電器件的制造。DNA納米材料還可以用于制造納米傳感器，通過設(shè)計對特定分子或離子具有特異性識別能力的DNA序列，將其修飾到納米電子器件表面，實現(xiàn)對生物分子、化學物質(zhì)等的高靈敏度檢測。在生物傳感器中，DNA納米結(jié)構(gòu)可以作為生物分子的固定平臺，通過與目標生物分子的特異性結(jié)合，引發(fā)納米電子器件的電學信號變化，從而實現(xiàn)對生物分子的檢測。隨著對DNA納米材料在納米電子學領(lǐng)域研究的不斷深入，有望開發(fā)出更加高性能、小型化的納米電子器件，推動