多功能DNA納米結構：從構建基石到生物成像新視野一、引言1.1研究背景與意義自20世紀中葉DNA雙螺旋結構被發(fā)現(xiàn)以來，DNA作為生命遺傳信息的載體，一直是生物學研究的核心對象。然而，隨著科技的不斷進步，尤其是納米技術的興起，科學家們逐漸發(fā)現(xiàn)DNA不僅僅是遺傳信息的攜帶者，還具有作為納米結構構建材料的巨大潛力，由此催生了DNA納米技術這一新興的多學科交叉研究領域。DNA納米技術主要利用DNA分子尺寸處于納米級別、具有剛性結構且編碼性強的特點，通過精確設計和堿基互補配對原則，來構造各種具有特定形狀和功能的納米結構。1982年，紐約大學的NedSeeman教授首次提出利用DNA的十字叉狀Holiday結構作為構建單元，開啟了DNA納米技術的先河。此后，經(jīng)過多年的發(fā)展，從簡單的Tile組裝到復雜的DNA折紙術，DNA納米技術取得了長足的進步。2006年，DNA折紙術的出現(xiàn)更是為該領域帶來了革命性的變化，它能夠將DNA組裝成各種復雜的二維甚至三維圖案，極大地拓展了DNA納米結構的多樣性和應用范圍。在生物成像領域，準確、靈敏地檢測和可視化生物分子及細胞結構對于理解生物過程、疾病診斷和治療具有至關重要的意義。傳統(tǒng)的生物成像技術雖然在一定程度上能夠滿足研究和臨床需求，但也存在諸多局限性，如分辨率有限、特異性不足、對生物樣本的損傷較大等。多功能DNA納米結構的出現(xiàn)，為解決這些問題提供了新的思路和方法。多功能DNA納米結構可以通過精確設計，將多種功能集成于一體，如靶向識別、信號放大、熒光成像等。它們能夠特異性地識別并結合到目標生物分子或細胞表面，利用自身攜帶的熒光基團或其他標記物發(fā)出可檢測的信號，從而實現(xiàn)對目標的高靈敏度、高特異性成像。此外，DNA納米結構還具有良好的生物相容性和可修飾性，能夠在生物體內(nèi)穩(wěn)定存在并進行功能化改造，這使得它們在活體生物成像中具有獨特的優(yōu)勢。在腫瘤診斷中，多功能DNA納米結構可以設計成能夠特異性識別腫瘤細胞表面標志物的探針，通過熒光成像或其他成像技術，實現(xiàn)對腫瘤細胞的早期檢測和精確定位，為腫瘤的早期診斷和治療提供有力支持。在神經(jīng)科學研究中，利用DNA納米結構標記神經(jīng)元中的特定分子，有助于深入了解神經(jīng)元的結構和功能，揭示神經(jīng)信號傳導的機制。多功能DNA納米結構在生物成像領域的應用，不僅能夠為生物醫(yī)學研究提供更加精準、高效的工具，推動對生命過程的深入理解，還具有廣闊的臨床應用前景，有望為疾病的早期診斷、個性化治療以及藥物研發(fā)等帶來新的突破，對于提高人類健康水平和推動醫(yī)學進步具有重要的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在多功能DNA納米結構構建方面，國內(nèi)外科研人員已取得了一系列引人注目的成果。自1982年NedSeeman教授首次提出利用DNA的十字叉狀Holiday結構作為構建單元以來，DNA納米技術經(jīng)歷了從簡單Tile組裝到復雜DNA折紙術的發(fā)展歷程。1993年，Seeman團隊在四臂結基礎上改進形成的DX結構，解決了多臂結靈活度高、組裝產(chǎn)物結構不確定的弊端，為后期研究DNA納米構圖奠定了基礎。1998年，加州理工學院的Winfree團隊使用DX作為結構基元組裝出帶有條紋的二維平面網(wǎng)格結構，證實了DX可用于構造二維平面結構，是DNA納米構圖的一個里程碑。2006年，DNA折紙術的出現(xiàn)是該領域的重大突破。加州理工學院的Rothemund開發(fā)的這一技術，選用噬菌體DNAM13mp18作為長鏈，通過兩百多條短的單鏈DNA將其折疊成想要的二維圖形，如矩形、三角形、五角星和笑臉等。DNA折紙術操作相對簡單，對各組分濃度比例要求低，產(chǎn)物復雜度高，納米組裝結構內(nèi)部的交叉結構大大增加了穩(wěn)定性，為其在各領域的應用奠定了基礎。此后，國內(nèi)外研究人員基于DNA折紙術不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)了更復雜的三維DNA納米結構的構建，如通過設計具有特定形狀的DNA骨架，構建出類似蛋白質的三維結構，這些結構在生物體內(nèi)具有更好的穩(wěn)定性和生物相容性。在多功能DNA納米結構的生物成像應用方面，國內(nèi)外研究也取得了顯著進展。熒光成像技術是常用的生物成像技術之一，通過將具有熒光標記的DNA納米結構與腫瘤細胞特異性結合的DNA片段結合，構建出具有高親和力的腫瘤細胞成像探針，實現(xiàn)對腫瘤細胞的精確成像。例如，有研究構建了針對乳腺癌細胞的成像探針，將具有紅色熒光標記的DNA片段與乳腺癌細胞特異性結合的DNA片段結合，在實驗中能快速、準確地定位乳腺癌細胞，為乳腺癌的診斷和治療提供了有力支持。除了熒光成像，多功能DNA納米結構還與磁共振成像、光聲成像等技術相結合，拓展了其在生物成像領域的應用。在磁共振成像中，通過對DNA納米結構進行修飾，使其攜帶磁共振成像對比劑，可提高成像的對比度和分辨率，實現(xiàn)對生物體內(nèi)深部組織的成像。在光聲成像中，利用DNA納米結構對光的吸收和散射特性，以及光聲效應，實現(xiàn)對生物組織的功能成像，為疾病的早期診斷提供更多信息。然而，當前研究仍存在一些不足之處。在結構構建方面，雖然能夠構建出復雜的DNA納米結構，但合成方法往往較為復雜，需要使用大量預先設計的不同序列的核酸鏈進行組裝，或者對核酸特定位點進行修飾及表面功能化，這不僅增加了成本，還阻礙了其大規(guī)模應用。此外，DNA納米結構的穩(wěn)定性和可控性仍有待提高，在生物體內(nèi)復雜的環(huán)境中，如何確保DNA納米結構保持其原有形狀和功能，是需要解決的關鍵問題。在生物成像應用中，熒光標記的高成本和熒光團的光漂白現(xiàn)象限制了熒光成像的廣泛應用。與其他成像技術的結合還處于探索階段，成像的靈敏度和特異性還需要進一步提升，以滿足臨床診斷和生物醫(yī)學研究的更高要求。如何實現(xiàn)多功能DNA納米結構在體內(nèi)的精準遞送和靶向成像，也是當前研究面臨的挑戰(zhàn)之一。1.3研究目標與創(chuàng)新點本研究旨在構建新型多功能DNA納米結構，并深入探索其在生物成像領域的應用，以期為生物醫(yī)學研究和臨床診斷提供更高效、精準的工具。具體研究目標如下：開發(fā)新型構建方法：通過創(chuàng)新的設計理念和技術手段，發(fā)展一種簡單、高效且低成本的多功能DNA納米結構構建方法，解決現(xiàn)有合成方法復雜、成本高的問題，提高DNA納米結構的制備效率和可重復性，為其大規(guī)模應用奠定基礎。構建多功能DNA納米結構：基于新的構建方法，設計并合成具有多種功能集成的DNA納米結構，如同時具備靶向識別、信號放大和熒光成像功能，實現(xiàn)對生物分子和細胞的高靈敏度、高特異性檢測和成像。通過精確調(diào)控DNA納米結構的組成、形狀和尺寸，優(yōu)化其性能，使其能夠更好地適應生物成像的需求。探索生物成像應用：系統(tǒng)研究構建的多功能DNA納米結構在不同生物成像技術中的應用，包括熒光成像、磁共振成像、光聲成像等，深入分析其在細胞和活體水平的成像效果，評估其在生物醫(yī)學研究和臨床診斷中的潛力。通過與現(xiàn)有成像技術和探針的對比，明確多功能DNA納米結構的優(yōu)勢和特點，為其實際應用提供科學依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：構建方法創(chuàng)新：突破傳統(tǒng)的DNA納米結構構建思路，引入新的組裝策略或技術，如利用生物正交反應、動態(tài)共價化學等，實現(xiàn)DNA納米結構的快速、精準組裝，提高結構的穩(wěn)定性和可控性。這種創(chuàng)新的構建方法有望為DNA納米技術領域帶來新的研究思路和方法學突破，推動該領域的發(fā)展。功能集成創(chuàng)新：設計具有獨特功能組合的DNA納米結構，例如將智能響應元件與成像功能相結合，使DNA納米結構能夠對生物體內(nèi)的特定環(huán)境信號（如pH值、溫度、酶活性等）做出響應，實現(xiàn)成像信號的動態(tài)調(diào)控，提高成像的準確性和特異性。這種功能集成創(chuàng)新將拓展多功能DNA納米結構在生物成像領域的應用范圍，為深入研究生物過程和疾病機制提供新的工具。成像應用創(chuàng)新：探索多功能DNA納米結構在新興成像技術中的應用，如多模態(tài)成像、超分辨成像等，充分發(fā)揮其多功能特性，實現(xiàn)對生物樣本的全方位、高分辨率成像。通過與先進的成像技術相結合，有望發(fā)現(xiàn)新的生物成像現(xiàn)象和規(guī)律，為生物醫(yī)學研究開辟新的方向。二、多功能DNA納米結構的構建基石2.1DNA納米技術的基本原理DNA納米技術是一門利用DNA分子獨特性質來構建納米尺度結構的新興技術，其基本原理深深扎根于DNA分子的結構特點和堿基互補配對原則。DNA分子具有獨特的雙螺旋結構，由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成。這兩條鏈通過脫氧核糖和磷酸交替連接形成骨架，而堿基則排列在內(nèi)側。在DNA的四種堿基中，腺嘌呤（A）總是與胸腺嘧啶（T）配對，鳥嘌呤（G）總是與胞嘧啶（C）配對。這種嚴格的堿基互補配對原則，就像一把把精準的“鑰匙”和“鎖”，使得DNA分子能夠通過氫鍵相互作用，形成穩(wěn)定的雙螺旋結構。這種堿基互補配對特性是構建DNA納米結構的核心基礎。通過精心設計DNA序列，研究人員能夠精確地控制不同DNA鏈之間的相互作用，從而實現(xiàn)對納米結構形狀、尺寸和功能的精準調(diào)控。例如，要構建一個簡單的二維DNA納米結構，可以設計幾條具有特定序列的單鏈DNA。其中一條鏈作為“骨架鏈”，其他鏈作為“輔助鏈”。通過合理安排輔助鏈上的堿基序列，使其與骨架鏈上特定區(qū)域的堿基互補配對，當這些單鏈DNA在合適的條件下混合時，它們會依據(jù)堿基互補配對原則自發(fā)地相互結合。輔助鏈會像“鉚釘”一樣，將骨架鏈固定在特定的位置和形狀，最終形成預定的二維納米結構。除了堿基互補配對，DNA納米結構的形成還涉及一系列其他相互作用。氫鍵在維持DNA雙螺旋結構以及DNA鏈之間的相互結合中發(fā)揮著關鍵作用，它使得堿基對能夠緊密地連接在一起。范德華力雖然相對較弱，但在DNA納米結構的組裝過程中，它有助于維持分子間的穩(wěn)定距離和相互作用，對整體結構的穩(wěn)定性也有一定的貢獻。疏水作用也不可忽視，DNA分子中的堿基具有一定的疏水性，在水溶液環(huán)境中，它們傾向于聚集在一起，從而推動DNA鏈的折疊和組裝，促進納米結構的形成。在構建三維DNA納米結構時，研究人員通常會采用更為復雜的設計策略。例如，利用多個DNA雙鏈的相互連接和折疊，通過巧妙地設計不同雙鏈之間的連接點和角度，以及合理安排堿基序列，實現(xiàn)三維結構的構建。像DNA四面體結構，它由四條DNA單鏈通過堿基互補配對自組裝而成，每條鏈的末端與其他鏈的特定區(qū)域互補結合，形成四個頂點和六條邊，最終構成一個穩(wěn)定的四面體形狀。這種三維DNA納米結構不僅在形狀上更為復雜，而且在功能上也具有更多的可能性，如可以作為藥物載體，將藥物分子包裹在其內(nèi)部空腔中，實現(xiàn)藥物的定向輸送和釋放。DNA納米技術正是基于DNA分子的結構特點和堿基互補配對原則，以及多種分子間相互作用，通過精確的序列設計和巧妙的組裝策略，實現(xiàn)了從簡單到復雜的DNA納米結構的構建，為其在生物成像、生物傳感、藥物遞送等眾多領域的應用奠定了堅實的基礎。二、多功能DNA納米結構的構建基石2.2構建方法及案例分析2.2.1DNA折紙術DNA折紙術是一種具有創(chuàng)新性和高效性的DNA納米結構構建方法，自2006年由加州理工學院的PaulRothemund提出以來，在納米技術領域引起了廣泛關注，并取得了眾多重要成果。DNA折紙術的原理基于DNA分子的堿基互補配對原則。在構建過程中，通常選用一條長鏈DNA作為“腳手架鏈”，這條長鏈DNA就像是建筑中的主框架。同時，設計一系列短鏈DNA，稱為“訂書釘鏈”，它們?nèi)缤般T釘”一般。這些訂書釘鏈的堿基序列經(jīng)過精心設計，能夠與腳手架鏈上特定區(qū)域的堿基互補配對。當腳手架鏈與訂書釘鏈在合適的條件下混合時，訂書釘鏈會通過堿基互補配對與腳手架鏈結合，將腳手架鏈固定在特定的位置和形狀，最終使長鏈DNA按照預定的目標折疊成各種復雜的二維甚至三維納米結構。以山西大學在利用DNA折紙二維晶格實現(xiàn)二維電子態(tài)調(diào)制的研究為例，能夠更深入地理解DNA折紙術的操作步驟和應用優(yōu)勢。在該研究中，首先進行了精確的結構設計。研究人員根據(jù)想要實現(xiàn)的二維電子態(tài)調(diào)制目標，利用專業(yè)的設計軟件，如caDNAno，精心規(guī)劃DNA折紙二維晶格的形狀、尺寸以及各部分的連接方式。在設計過程中，充分考慮了堿基互補配對原則，確保訂書釘鏈與腳手架鏈之間能夠準確結合，以構建出穩(wěn)定且符合要求的二維晶格結構。設計完成后，進入合成階段。合成腳手架鏈時，選擇了合適的長鏈DNA，例如從病毒的DNA中提取，像常用的從M13噬菌體中分離得到的m13mp18病毒基因組，其長度為7249個核苷酸，能夠滿足構建復雜結構的需求。對于訂書釘鏈，根據(jù)設計好的序列，通過化學合成的方法制備。接著是關鍵的組裝過程。將合成好的腳手架鏈與過量的訂書釘鏈放入含有Mg離子的緩沖液中。Mg離子在這個過程中起著重要作用，它能夠穩(wěn)定DNA鏈之間的相互作用，促進堿基互補配對的發(fā)生。在合適的溫度等條件下進行退火處理，退火過程是一個緩慢降溫的過程，在這個過程中，訂書釘鏈會依據(jù)堿基互補配對原則，與腳手架鏈逐步結合，自發(fā)地進行自組裝，最終形成預定的DNA折紙二維晶格結構。經(jīng)過分離純化等后續(xù)處理，去除未反應的物質和雜質，得到純凈的目標結構。從應用優(yōu)勢來看，DNA折紙術在該研究中展現(xiàn)出獨特的價值。一方面，它能夠精確構建具有特定形狀和尺寸的二維晶格結構，這種精確性是實現(xiàn)二維電子態(tài)調(diào)制的基礎。通過精確控制DNA鏈的折疊和組裝，研究人員可以準確地調(diào)控晶格的幾何參數(shù)，如晶格常數(shù)、原子排列方式等，從而實現(xiàn)對二維電子態(tài)的精準調(diào)制。另一方面，DNA折紙術構建的結構具有良好的穩(wěn)定性。由于訂書釘鏈與腳手架鏈之間通過堿基互補配對形成了眾多的氫鍵，以及DNA分子本身的剛性結構，使得構建出的二維晶格結構在各種條件下都能保持穩(wěn)定，為后續(xù)的電子態(tài)調(diào)制研究提供了可靠的基礎。這種精確性和穩(wěn)定性是傳統(tǒng)材料制備方法難以比擬的，也為其他領域利用DNA折紙術構建功能性納米結構提供了有益的借鑒。2.2.2DNA磚塊法DNA磚塊法是構建DNA納米結構的另一種重要方法，其原理基于模塊化組裝的理念。在DNA磚塊法中，首先預制一系列具有特定序列的DNA片段，這些片段被稱為“DNA磚塊”。每個DNA磚塊都設計為在特定位置和方向上與其他DNA磚塊相互結合，通過精心設計DNA磚塊的堿基序列，使其能夠按照預定的方式進行組裝，從而形成更大、更復雜的DNA納米結構。以一項具體研究為例，研究人員利用DNA磚塊法構建了具有復雜內(nèi)部結構的三維DNA納米容器。在這個研究中，首先對目標納米容器的結構進行詳細設計。根據(jù)所需的功能和應用場景，確定納米容器的形狀、尺寸、內(nèi)部空腔大小以及開口位置等參數(shù)?；谶@些參數(shù)，設計出相應的DNA磚塊序列。每個DNA磚塊都被設計成具有特定的互補末端，這些末端的堿基序列決定了它們在組裝過程中的結合方式和位置。在合成階段，通過化學合成技術制備出這些設計好的DNA磚塊。合成過程需要嚴格控制反應條件，確保DNA磚塊的序列準確性和質量。合成完成后，將這些DNA磚塊按照一定的比例和順序混合在特定的緩沖液中。在合適的溫度和離子強度等條件下，DNA磚塊會依據(jù)堿基互補配對原則，自發(fā)地相互結合并組裝。在組裝過程中，由于每個DNA磚塊的結合位置和方向都是預先設計好的，它們會逐步連接起來，最終形成預定的三維納米容器結構。利用DNA磚塊法構建的三維納米容器具有獨特的優(yōu)勢。它能夠實現(xiàn)高度復雜的結構構建，納米容器的內(nèi)部可以設計出各種復雜的形狀和功能區(qū)域，如用于裝載藥物分子的空腔、用于特異性識別目標分子的結合位點等。這種精確的結構控制使得DNA納米容器在藥物遞送、生物分子分離和檢測等領域具有廣闊的應用前景。DNA磚塊法的組裝過程相對靈活，可以通過調(diào)整DNA磚塊的種類和數(shù)量，以及它們之間的連接方式，方便地對納米結構進行修改和優(yōu)化，以滿足不同的應用需求。2.2.3DNA鏈置換反應DNA鏈置換反應是一種基于DNA鏈親和力差異和鏈置換機理的動態(tài)組裝和重構DNA納米結構的方法，在多功能DNA納米結構的構建和應用中發(fā)揮著重要作用。DNA鏈置換反應的機制基于DNA分子的堿基互補配對原則和鏈的競爭結合特性。在DNA鏈置換反應體系中，通常存在底物雙鏈DNA和入侵單鏈DNA。底物雙鏈DNA由兩條互補的DNA鏈組成，其中一條鏈上有一段單鏈區(qū)域，稱為“toehold”區(qū)域。入侵單鏈DNA的堿基序列與底物雙鏈DNA中的一條鏈互補，并且其一端能夠與toehold區(qū)域結合。當入侵單鏈DNA與toehold區(qū)域結合后，會引發(fā)一個可逆的分支遷移過程。在這個過程中，入侵單鏈DNA會逐漸取代底物雙鏈DNA中的一條鏈，最終形成新的雙鏈DNA結構，而被置換出來的鏈則游離在溶液中。以一項相關研究為例，研究人員利用DNA鏈置換反應構建了一種智能響應型的DNA納米結構，用于生物分子的檢測。在這個研究中，設計了一種特殊的DNA納米結構，該結構由多個DNA鏈組成，其中包含一個發(fā)夾結構的DNA鏈作為信號報告單元。發(fā)夾結構的DNA鏈兩端分別標記有熒光基團和淬滅基團，在初始狀態(tài)下，由于發(fā)夾結構的存在，熒光基團和淬滅基團距離很近，熒光被淬滅。當目標生物分子存在時，它能夠與DNA納米結構中的特定區(qū)域結合，引發(fā)DNA鏈置換反應。具體來說，目標生物分子與DNA納米結構結合后，會觸發(fā)入侵單鏈DNA與底物雙鏈DNA發(fā)生鏈置換反應，導致發(fā)夾結構打開，熒光基團和淬滅基團分離，從而產(chǎn)生熒光信號。通過檢測熒光信號的強度，就可以實現(xiàn)對目標生物分子的定量檢測。利用DNA鏈置換反應構建的這種智能響應型DNA納米結構具有諸多優(yōu)勢。它能夠對特定的生物分子產(chǎn)生特異性響應，通過設計合適的DNA序列，可以使納米結構只對目標生物分子發(fā)生鏈置換反應，從而實現(xiàn)高特異性的檢測。DNA鏈置換反應是一個動態(tài)過程，這使得納米結構具有可重構性。在檢測不同的生物分子時，可以通過改變?nèi)肭謫捂淒NA的序列，實現(xiàn)納米結構的功能切換，大大提高了納米結構的通用性和靈活性。DNA鏈置換反應可以在溫和的條件下進行，與生物體系具有良好的兼容性，適合在生物體內(nèi)或生物樣品中應用，為生物醫(yī)學檢測和診斷提供了一種有效的工具。2.3構建中的挑戰(zhàn)與應對策略在構建多功能DNA納米結構的過程中，面臨著諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)制約著其進一步發(fā)展和應用，亟待有效的應對策略來解決。結構穩(wěn)定性是首要挑戰(zhàn)之一。DNA納米結構通常在水溶液環(huán)境中構建和應用，而水溶液中的各種因素，如離子強度、酸堿度以及酶的存在，都可能對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在高離子強度的溶液中，過多的離子會屏蔽DNA鏈之間的靜電相互作用，導致DNA納米結構的解組裝。核酸酶能夠特異性地識別并切割DNA分子，使得DNA納米結構在生物體系中容易被降解，無法保持其完整的結構和功能。為應對這一挑戰(zhàn)，研究人員采取了多種策略。通過化學修飾DNA鏈來增強其穩(wěn)定性，對DNA的磷酸骨架進行甲基化修飾，能夠增加其對核酸酶的抗性。合理設計DNA納米結構的拓撲結構也能提高穩(wěn)定性，例如采用多分支的DNA結構，增加分子內(nèi)的相互作用，從而使結構更加穩(wěn)固。構建過程的可控性也是一個關鍵問題。精確控制DNA納米結構的形狀、尺寸和組裝方式，對于實現(xiàn)其特定功能至關重要，但目前仍存在較大困難。在DNA折紙術構建復雜三維結構時，由于涉及眾多的訂書釘鏈和腳手架鏈，組裝過程中可能出現(xiàn)錯誤折疊或不完全組裝的情況，導致結構的不一致性和缺陷。DNA鏈置換反應的動力學過程較難精確調(diào)控，使得反應的速率和程度難以控制，影響了納米結構的動態(tài)組裝和功能實現(xiàn)。為解決可控性問題，研究人員利用計算機模擬和輔助設計工具，如caDNAno、Nanoengineer-1等軟件，在構建前對DNA納米結構的組裝過程進行模擬和優(yōu)化，預測可能出現(xiàn)的問題并提前調(diào)整設計方案。開發(fā)新的組裝技術和方法，引入光控、溫控等外部刺激響應的組裝策略，能夠實現(xiàn)對組裝過程的精確控制。利用光控DNA鏈置換反應，通過光照的強度和時間來調(diào)控反應的進行，從而實現(xiàn)對納米結構組裝的動態(tài)控制。構建成本也是限制多功能DNA納米結構廣泛應用的重要因素。目前，DNA納米結構的合成通常需要使用大量預先設計的不同序列的核酸鏈，這些核酸鏈的化學合成成本較高，且合成過程復雜，需要專業(yè)的設備和技術人員。對核酸特定位點進行修飾及表面功能化也會增加成本和操作難度。為降低構建成本，研究人員致力于開發(fā)新的合成方法和技術。探索利用生物合成的方法來制備DNA納米結構，利用細菌等生物體內(nèi)的DNA合成機制，通過基因工程手段，使細菌合成特定序列的DNA，從而降低合成成本。優(yōu)化合成工藝，提高合成效率和產(chǎn)率，減少原材料的浪費，也有助于降低成本。通過改進DNA鏈的合成方法，提高合成的準確性和純度，減少后續(xù)純化步驟的工作量和成本。三、多功能DNA納米結構的功能賦予3.1功能化修飾的策略與方法對DNA納米結構進行功能化修飾是賦予其多種功能的關鍵步驟，通過引入不同的功能分子，可使其滿足生物成像等多領域的應用需求。常見的功能化修飾策略與方法主要包括引入熒光基團、靶向分子等。熒光基團的引入是實現(xiàn)DNA納米結構熒光成像功能的重要手段。熒光基團能夠吸收特定波長的光，并在回到基態(tài)時發(fā)射出熒光，從而使DNA納米結構在熒光顯微鏡下能夠被清晰地觀察到。在實際操作中，常用的熒光基團如熒光素（FITC）、羅丹明（Rhodamine）等，可以通過化學偶聯(lián)的方式連接到DNA鏈上。一種常用的化學偶聯(lián)方法是利用DNA鏈上的氨基與熒光基團的羧基在縮合劑（如N,N'-二環(huán)己基碳二亞胺，DCC）的作用下發(fā)生酰胺化反應，形成穩(wěn)定的共價連接。也可以利用點擊化學的方法，如銅催化的疊氮-炔環(huán)加成反應（CuAAC），將帶有疊氮基團的DNA與帶有炔基的熒光基團高效、特異性地連接起來。這種方法具有反應條件溫和、產(chǎn)率高、副反應少等優(yōu)點，能夠在不影響DNA納米結構穩(wěn)定性和生物活性的前提下，實現(xiàn)熒光基團的精準修飾。除了熒光成像，靶向識別功能對于多功能DNA納米結構在生物成像中的應用也至關重要。引入靶向分子可以使DNA納米結構特異性地識別并結合到目標生物分子或細胞表面，提高成像的特異性和準確性。常見的靶向分子包括抗體、適配體、多肽等。抗體是一種高度特異性的蛋白質，能夠與特定的抗原發(fā)生特異性結合。將抗體修飾到DNA納米結構表面時，可以先對抗體進行化學修飾，使其帶上能夠與DNA連接的活性基團，如馬來酰亞胺基團。DNA鏈上則引入巰基，兩者在合適的條件下發(fā)生邁克爾加成反應，從而實現(xiàn)抗體與DNA納米結構的連接。適配體是通過指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進化技術（SELEX）篩選得到的單鏈DNA或RNA分子，它們能夠特異性地識別并結合各種目標分子，如蛋白質、小分子、金屬離子等。將適配體整合到DNA納米結構中時，可以在設計DNA序列時，將適配體序列作為一部分直接合成到DNA鏈中，利用堿基互補配對原則，使其成為DNA納米結構的組成部分。多肽也可以作為靶向分子，一些多肽具有特定的氨基酸序列，能夠與細胞表面的受體特異性結合。例如，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）三肽能夠與細胞表面的整合素受體特異性結合。在修飾時，可以利用多肽合成技術，在多肽的一端引入能夠與DNA連接的基團，如氨基或羧基，然后通過類似的化學偶聯(lián)方法將其連接到DNA納米結構上。三、多功能DNA納米結構的功能賦予3.2多功能特性的實現(xiàn)與驗證3.2.1熒光標記與成像功能熒光標記是賦予DNA納米結構成像功能的重要手段，在生物醫(yī)學領域具有廣泛的應用前景。隨著熒光DNA納米結構研究的不斷深入，其在生物成像中的優(yōu)勢日益凸顯。通過將熒光基團精確地連接到DNA納米結構上，能夠實現(xiàn)對生物分子和細胞的高靈敏度成像。在細胞內(nèi)生物分子的檢測中，利用熒光標記的DNA納米結構可以特異性地識別并結合目標生物分子，通過熒光信號的發(fā)射，直觀地展示目標分子在細胞內(nèi)的分布和動態(tài)變化。當研究細胞內(nèi)特定蛋白質的定位和表達水平時，設計與該蛋白質具有高親和力的DNA納米結構，并在其上標記熒光基團，如Cy3、Cy5等。將其引入細胞后，DNA納米結構會與目標蛋白質特異性結合，在熒光顯微鏡下，即可清晰地觀察到蛋白質在細胞內(nèi)的位置和相對含量。在體內(nèi)成像方面，熒光DNA納米結構也展現(xiàn)出獨特的潛力。利用其良好的生物相容性和可修飾性，能夠實現(xiàn)對生物體特定組織或器官的靶向成像。通過將熒光DNA納米結構與腫瘤細胞特異性的靶向分子相結合，構建腫瘤靶向成像探針。當該探針注入體內(nèi)后，會特異性地富集在腫瘤組織部位，利用熒光成像技術，就可以實時監(jiān)測腫瘤的生長、轉移和治療效果。這種體內(nèi)成像技術不僅能夠提供腫瘤的位置和大小等信息，還可以通過熒光信號的強度變化，評估腫瘤細胞對治療藥物的反應，為腫瘤的個性化治療提供重要依據(jù)。為了驗證熒光標記的DNA納米結構的成像功能，研究人員通常會進行一系列實驗。在體外細胞實驗中，將熒光標記的DNA納米結構與細胞共孵育，利用熒光顯微鏡觀察其在細胞內(nèi)的攝取和分布情況。通過改變孵育時間和納米結構的濃度，分析細胞對納米結構的攝取效率和熒光信號強度的變化關系。在體內(nèi)實驗中，選擇合適的動物模型，如小鼠、大鼠等，將熒光標記的DNA納米結構通過尾靜脈注射等方式引入體內(nèi)，利用活體成像系統(tǒng)觀察其在體內(nèi)的分布和代謝過程。通過對比不同時間點的成像結果，研究納米結構在體內(nèi)的生物動力學行為，如血液循環(huán)時間、組織分布和排泄途徑等。還可以通過組織切片和免疫熒光染色等方法，進一步驗證納米結構在特定組織中的靶向性和成像效果。3.2.2靶向識別與結合能力靶向識別與結合能力是多功能DNA納米結構在生物成像及生物醫(yī)學應用中的關鍵特性，賦予其對特定生物分子或細胞的精準定位能力。以DNA適體為例，它是通過指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進化技術（SELEX）從隨機寡核苷酸文庫中篩選得到的單鏈DNA或RNA分子，能夠特異性地識別并結合各種目標分子，如蛋白質、小分子、金屬離子等。在賦予DNA納米結構靶向識別能力時，將DNA適體整合到DNA納米結構中是一種常用策略。在設計DNA納米結構的序列時，將DNA適體的序列作為一部分直接合成到DNA鏈中。利用DNA折紙術構建納米結構時，可以將具有特定序列的DNA適體作為訂書釘鏈的一部分，使其在納米結構組裝過程中自然地成為結構的組成部分。通過這種方式，DNA納米結構不僅具備了特定的形狀和功能，還擁有了DNA適體的靶向識別能力。為了驗證DNA納米結構的靶向效果，實驗驗證至關重要。在體外實驗中，采用表面等離子共振（SPR）技術是一種有效的手段。SPR技術基于金屬表面等離子體共振原理，當生物分子與固定在金屬表面的配體發(fā)生特異性結合時，會引起金屬表面折射率的變化，從而導致SPR信號的改變。將DNA納米結構固定在SPR芯片表面，然后將含有目標生物分子的溶液流過芯片。如果DNA納米結構中的DNA適體能夠特異性地識別并結合目標分子，就會觀察到SPR信號的明顯變化。通過監(jiān)測信號的強度和變化趨勢，可以定量分析DNA納米結構與目標分子之間的結合親和力和特異性。熒光共振能量轉移（FRET）實驗也常用于驗證靶向效果。FRET是指當兩個熒光基團距離足夠近時，供體熒光基團吸收的能量可以通過非輻射方式轉移給受體熒光基團，導致供體熒光強度降低，受體熒光強度升高。在實驗中，將DNA納米結構標記上供體熒光基團，將目標分子標記上受體熒光基團。當DNA納米結構與目標分子特異性結合時，兩個熒光基團的距離會拉近，從而發(fā)生FRET現(xiàn)象。通過檢測供體和受體熒光強度的變化，就可以判斷DNA納米結構是否成功地與目標分子結合。在細胞水平的驗證實驗中，利用流式細胞術可以分析DNA納米結構與細胞的結合情況。將熒光標記的DNA納米結構與細胞共孵育，然后通過流式細胞儀檢測細胞表面的熒光強度。如果DNA納米結構能夠特異性地結合到細胞表面的目標分子上，那么與未結合納米結構的細胞相比，結合了納米結構的細胞會顯示出更高的熒光強度。通過對不同細胞群體的熒光強度分析，可以評估DNA納米結構的靶向特異性和結合效率。3.2.3響應性與智能調(diào)控功能DNA納米結構的響應性與智能調(diào)控功能是其在生物成像和生物醫(yī)學應用中展現(xiàn)獨特優(yōu)勢的重要特性，使其能夠根據(jù)外部環(huán)境的變化而動態(tài)調(diào)整自身的結構和功能，實現(xiàn)對生物過程的精準調(diào)控和成像信號的優(yōu)化。DNA納米結構能夠對多種外部刺激產(chǎn)生響應，其中溫度、pH值、離子濃度等是常見的刺激因素。在溫度響應方面，DNA分子的雙鏈結構對溫度變化較為敏感。當溫度升高時，DNA雙鏈之間的氫鍵會逐漸斷裂，導致雙鏈解旋；而當溫度降低時，互補的單鏈又會重新結合形成雙鏈。利用這一特性，設計具有溫度響應性的DNA納米結構時，可以通過合理安排DNA鏈的序列，使納米結構在特定溫度范圍內(nèi)發(fā)生結構轉變。設計一種基于DNA發(fā)夾結構的納米傳感器，發(fā)夾結構的兩端分別標記有熒光基團和淬滅基團。在低溫下，發(fā)夾結構保持閉合狀態(tài)，熒光基團和淬滅基團距離較近，熒光被淬滅；當溫度升高到一定程度時，發(fā)夾結構打開，熒光基團和淬滅基團分離，從而產(chǎn)生熒光信號。通過檢測熒光信號的變化，就可以實現(xiàn)對溫度的監(jiān)測。pH值響應也是DNA納米結構常見的響應方式之一。DNA分子中的磷酸基團在不同pH值條件下會發(fā)生質子化和去質子化反應，從而影響DNA鏈之間的靜電相互作用和結構穩(wěn)定性。例如，在酸性條件下，磷酸基團會結合質子，使DNA鏈之間的靜電斥力減小，有利于DNA雙鏈的形成；而在堿性條件下，磷酸基團去質子化，靜電斥力增大，可能導致雙鏈解旋。基于這一原理，設計pH響應性DNA納米結構時，可以通過在DNA鏈上引入對pH敏感的基團，如咪唑基、氨基等，來增強其對pH值變化的響應能力。構建一種含有咪唑修飾的DNA納米結構，在酸性環(huán)境中，咪唑基團質子化，與DNA鏈上的磷酸基團相互作用，使納米結構保持穩(wěn)定的折疊狀態(tài)；當環(huán)境pH值升高時，咪唑基團去質子化，與磷酸基團的相互作用減弱，納米結構發(fā)生解折疊，從而實現(xiàn)對pH值變化的響應。離子濃度的變化也能引發(fā)DNA納米結構的響應。某些金屬離子，如鎂離子（Mg2?）、鈣離子（Ca2?）等，對DNA納米結構的穩(wěn)定性和組裝過程起著重要作用。Mg2?能夠屏蔽DNA鏈之間的靜電斥力，促進DNA雙鏈的形成和穩(wěn)定。當溶液中Mg2?濃度發(fā)生變化時，DNA納米結構的穩(wěn)定性和結構形態(tài)也會相應改變。設計一種基于DNA四面體結構的納米探針，在低Mg2?濃度下，四面體結構相對不穩(wěn)定，容易發(fā)生解組裝；而在高Mg2?濃度下，四面體結構能夠穩(wěn)定存在。通過調(diào)節(jié)溶液中的Mg2?濃度，可以實現(xiàn)對納米探針結構和功能的調(diào)控。在實現(xiàn)智能調(diào)控功能方面，DNA納米結構通常結合特定的調(diào)控元件或機制。利用DNA鏈置換反應是一種常見的智能調(diào)控策略。如前文所述，DNA鏈置換反應基于DNA鏈親和力差異和鏈置換機理，通過引入入侵單鏈DNA，可以實現(xiàn)DNA納米結構的動態(tài)組裝和重構。在生物成像中，利用這一特性可以實現(xiàn)對成像信號的智能調(diào)控。設計一種DNA納米結構，其中包含一個發(fā)夾結構作為信號報告單元，發(fā)夾結構的兩端分別標記有熒光基團和淬滅基團。當目標生物分子存在時，它能夠與DNA納米結構中的特定區(qū)域結合，引發(fā)DNA鏈置換反應。入侵單鏈DNA與底物雙鏈DNA發(fā)生鏈置換，導致發(fā)夾結構打開，熒光基團和淬滅基團分離，從而產(chǎn)生熒光信號。通過這種方式，實現(xiàn)了對目標生物分子的特異性檢測和成像信號的智能調(diào)控。四、生物成像的原理與應用4.1生物成像技術概述生物成像技術作為探索生物體內(nèi)微觀世界的重要工具，在生命科學研究和臨床診斷中發(fā)揮著關鍵作用。常見的生物成像技術包括熒光成像、光聲成像、磁共振成像等，它們各自基于獨特的原理，展現(xiàn)出不同的特點和適用范圍。熒光成像技術的原理基于熒光物質被激發(fā)后所發(fā)射的熒光信號。當熒光物質受到特定波長的激發(fā)光照射時，其分子中的電子會吸收能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，會在極短時間內(nèi)返回基態(tài)，并以發(fā)射熒光的形式釋放能量。熒光成像系統(tǒng)一般由熒光信號激發(fā)系統(tǒng)（包括激發(fā)光源和光路傳輸組件）、熒光信號收集組件以及信號檢測與放大系統(tǒng)構成。其顯著優(yōu)點是成本相對較低，靈敏度高，能夠實現(xiàn)多色成像，操作也較為簡單。通過選擇不同發(fā)射波長的熒光染料，可以同時標記多種生物分子，在同一視野中觀察它們的分布和相互作用。熒光成像也存在一些局限性，其空間分辨率較低，組織滲透性較差，通常只能對生物樣本的表層進行成像。在對深層組織進行成像時，熒光信號會受到組織的吸收和散射影響而迅速衰減，導致成像效果不佳。在生物醫(yī)學研究中，熒光成像常用于細胞內(nèi)生物分子的檢測和定位，如利用熒光標記的抗體檢測細胞表面的特定抗原，通過熒光顯微鏡觀察抗原在細胞表面的分布情況。光聲成像技術是一種新興的非侵入式生物醫(yī)學成像技術，它融合了光學和聲學的優(yōu)勢。其原理基于光聲效應，當脈沖激光照射生物組織時，組織中的光吸收體（如血紅蛋白、黑色素等）吸收光能并將其轉化為熱能，使組織產(chǎn)生瞬時熱膨脹，進而向外輻射出聲波。這些聲波攜帶了組織的光學和結構信息，通過超聲探頭接收并轉化為電信號，再經(jīng)過計算機處理和圖像重建，即可得到生物組織的光聲圖像。光聲成像具有高分辨率和高對比度的特點，能夠清晰地顯示生物組織的微觀結構和功能信息。由于不同組織對光的吸收特性不同，光聲成像可以區(qū)分不同類型的組織，如在腫瘤檢測中，能夠準確地識別腫瘤組織與正常組織。光聲成像還具有較強的深度穿透能力，相比傳統(tǒng)光學成像技術，能夠對深層組織進行成像。它在腫瘤檢測、血管成像、神經(jīng)系統(tǒng)成像等領域具有廣泛的應用前景。在腫瘤檢測中，光聲成像可以檢測腫瘤的位置、大小和性質，為腫瘤的早期診斷提供重要依據(jù)。磁共振成像（MRI）是一種利用核磁共振原理的成像技術。原子核在強磁場的作用下，會發(fā)生能級分裂，當施加特定頻率的射頻脈沖時，處于低能級的原子核會吸收射頻脈沖的能量躍遷到高能級，形成磁共振現(xiàn)象。MRI系統(tǒng)主要由磁體部分、磁共振波譜儀部分以及數(shù)據(jù)處理和圖像重建部分組成。MRI的優(yōu)點在于空間分辨率高，不受組織穿透能力的限制，且由于是磁場成像，無放射性，對人體無害。它能夠提供生物組織的詳細結構和功能信息，在醫(yī)學診斷中廣泛應用于腦部、腹部、關節(jié)等部位的疾病檢測。在腦部疾病診斷中，MRI可以清晰地顯示腦部的解剖結構和病變情況，幫助醫(yī)生準確診斷腦腫瘤、腦梗死等疾病。MRI也存在一些缺點，如花費成本較高，靈敏度較低，成像檢測時間較長，且不能進行定量分析，T1、T2以及質子密度測量運算較為麻煩，可比性差。四、生物成像的原理與應用4.2DNA納米結構在生物成像中的應用案例深度剖析4.2.1腫瘤成像與診斷深圳大學張學記和董海峰團隊在腫瘤成像與診斷領域取得了重要突破，他們利用DNA組裝的等離子體納米結構實現(xiàn)了活體SERS的miRNA檢測和腫瘤光聲成像，為腫瘤的早期診斷和治療提供了新的策略和方法。該研究構建的DNA組裝的“核-衛(wèi)星”結構（TetrAuCS），由三種不同粒徑的金納米粒子（AuNP）組成，其中衛(wèi)星AuNP（10和5nm）圍繞四面體DNA納米結構（TDN）功能化的中心核心AuNP（20nm）。工程DNA四面體結構通過將核心衛(wèi)星組織成定義的定位和排列，產(chǎn)生增強的電磁場，從而實現(xiàn)核-衛(wèi)星的可控組裝。其應用原理主要基于雜交等離子體耦合效應和光聲成像原理。在雜交等離子體耦合效應方面，通過調(diào)節(jié)核心AuNP上功能化的DNA四面體的大小和數(shù)量，可以控制核心AuNP周圍的AuNP衛(wèi)星的密度和排列。當不同粒徑的AuNP相互靠近時，會產(chǎn)生雜交等離子體耦合效應，導致電磁場增強。這種增強的電磁場能夠顯著增強表面增強拉曼散射（SERS）信號，使得對目標分子的檢測靈敏度大大提高。在光聲成像方面，將對腫瘤具有強π-π相互作用的光聲合同探針I(yè)R780結合到四面體結構中。當脈沖激光照射生物組織時，TetrAuCS結構中的IR780吸收光能并將其轉化為熱能，使組織產(chǎn)生瞬時熱膨脹，進而向外輻射出聲波。這些聲波攜帶了組織的光學和結構信息，通過超聲探頭接收并轉化為電信號，再經(jīng)過計算機處理和圖像重建，即可得到腫瘤組織的光聲圖像。從技術優(yōu)勢來看，該方法具有高靈敏度和高特異性。在miRNA檢測中，通過SERS技術，能夠對體內(nèi)微小RNA-21進行敏感檢測。由于TetrAuCS結構的精確設計和雜交等離子體耦合效應的增強作用，使得檢測靈敏度大幅提高，能夠檢測到極低濃度的miRNA-21。其特異性也很高，通過設計與miRNA-21互補的DNA序列，實現(xiàn)了對miRNA-21的特異性識別和檢測，有效避免了其他生物分子的干擾。在腫瘤光聲成像中，TetrAuCS結構能夠特異性地富集在腫瘤組織部位。這是因為DNA四面體結構可以通過修飾靶向分子，使其能夠特異性地識別腫瘤細胞表面的標志物，從而實現(xiàn)對腫瘤組織的靶向成像。光聲成像本身具有高分辨率和高對比度的特點，結合TetrAuCS結構的靶向性，能夠清晰地顯示腫瘤的位置、大小和形態(tài)等信息，為腫瘤的診斷提供了更準確的依據(jù)。從實際效果來看，該研究成功實現(xiàn)了對體內(nèi)miRNA-21和腫瘤組織的成像。在體外實驗中，通過SERS技術對不同濃度的miRNA-21進行檢測，得到了良好的檢測曲線，驗證了該方法的靈敏度和準確性。在體內(nèi)實驗中，將TetrAuCS注射到荷瘤小鼠體內(nèi)，利用光聲成像技術，清晰地觀察到了腫瘤組織的位置和邊界，并且通過對光聲信號的分析，能夠評估腫瘤的生長和發(fā)展情況。這種DNA組裝的等離子體納米結構在腫瘤成像與診斷中的應用，為腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)和精準治療提供了有力的技術支持，具有重要的臨床應用價值。4.2.2細胞內(nèi)分子成像湖南大學張曉兵和李樂樂團隊在細胞內(nèi)分子成像領域開展了深入研究，通過空間限域DNA納米籠用于生物邏輯成像，為細胞內(nèi)分子成像提供了新的思路和方法，在對特定分子的識別、成像的準確性和靈敏度等方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。該團隊構建的空間限域DNA納米籠，將可激活的DNAzyme傳感器（mDz）可控限制在DNA納米籠的空腔中（C-mDz）。其對特定分子的識別基于DNAzyme傳感器的特異性設計。DNAzyme是一種具有催化活性的DNA分子，通過合理設計其序列，可以使其特異性地識別并結合目標分子，如miRNA和金屬離子。在這個研究中，設計的DNAzyme傳感器能夠特異性地識別miR-21和Zn2?。當miR-21和Zn2?同時存在時，它們會與DNAzyme傳感器結合，觸發(fā)其催化活性，從而實現(xiàn)對這兩種特定分子的協(xié)同識別。在成像的準確性方面，空間限域的設計起到了關鍵作用。DNA納米籠的空腔為DNAzyme傳感器提供了一個相對獨立的空間環(huán)境，能夠有效減少外界因素的干擾。在細胞內(nèi)復雜的生物環(huán)境中，核酸酶等物質可能會降解DNAzyme傳感器，影響成像的準確性。而將DNAzyme傳感器封裝在DNA納米籠內(nèi)，能夠阻止核酸酶的接近，保護其不被降解，從而保證了成像的準確性。研究中以納米籠外錨定的C-mDz-out作為對照，評估了C-mDz在10%胎牛血清中的抗酶切能力。結果表明，C-mDz的穩(wěn)定性顯著優(yōu)于C-mDz-out，證實了空間封裝設計能夠有效保護DNAzyme免受核酸酶降解，進而提高了成像的準確性。成像的靈敏度也得到了顯著提升。由于DNAzyme傳感器被限制在納米籠內(nèi)，其與目標分子的結合效率得到提高。在細胞內(nèi)，目標分子的濃度通常較低，提高結合效率對于檢測靈敏度至關重要。DNA納米籠的結構能夠使DNAzyme傳感器更接近目標分子，增加它們之間的碰撞概率，從而提高了檢測靈敏度。實驗結果顯示，在添加鋅離子載體（如鋅吡啶酮）的條件下，miR-21高表達的MCF-7細胞中觀察到顯著的熒光信號，而miR-21低表達的L02細胞則無明顯響應。這一結果驗證了C-mDz在miR-21激活下對Zn2?的高效傳感能力，也證明了其在細胞內(nèi)分子成像中的高靈敏度。該團隊還通過精確調(diào)控細胞內(nèi)miR-21和Zn2?的水平，證實C-mDz能夠實時監(jiān)測活細胞中雙靶標的動態(tài)波動。這進一步說明了該空間限域DNA納米籠在細胞內(nèi)分子成像中具有高靈敏度和實時監(jiān)測的能力，為深入研究細胞內(nèi)分子的動態(tài)變化提供了有力的工具。4.2.3活體成像與動態(tài)監(jiān)測在活體成像與動態(tài)監(jiān)測方面，眾多研究致力于利用DNA納米結構實現(xiàn)對生物過程的實時、準確觀察。DNA納米結構因其良好的生物相容性和可修飾性，為活體成像提供了新的途徑。DNA納米結構實現(xiàn)活體成像主要依賴于其與成像技術的結合以及自身的功能化設計。在熒光成像中，將熒光基團修飾到DNA納米結構上，通過特異性的靶向分子引導，使DNA納米結構能夠聚集在目標組織或細胞部位。當受到特定波長的光激發(fā)時，熒光基團發(fā)射熒光，從而實現(xiàn)對目標的成像。在一項研究中，構建了表面修飾有腫瘤細胞靶向適配體的熒光DNA納米結構。將其注入小鼠體內(nèi)后，該納米結構能夠特異性地結合到腫瘤細胞表面，通過熒光成像清晰地顯示出腫瘤的位置和大小。在光聲成像中，如前文張學記和董海峰團隊的研究，利用DNA組裝的等離子體納米結構，通過光聲效應實現(xiàn)對腫瘤組織的成像。通過合理設計DNA納米結構的組成和形狀，使其能夠有效地吸收光能并轉化為聲信號，從而實現(xiàn)對活體組織的成像。對生物過程的動態(tài)監(jiān)測則依賴于DNA納米結構的響應性和智能調(diào)控功能。一些DNA納米結構能夠對生物體內(nèi)的環(huán)境變化，如pH值、溫度、離子濃度等，以及特定生物分子的存在產(chǎn)生響應。利用DNA鏈置換反應設計的智能DNA納米結構，當遇到目標生物分子時，會發(fā)生結構變化，從而觸發(fā)熒光信號的改變。通過實時監(jiān)測熒光信號的變化，就可以動態(tài)監(jiān)測生物分子在生物體內(nèi)的濃度變化和分布情況。在細胞凋亡過程中，細胞內(nèi)的某些生物分子濃度會發(fā)生變化。設計能夠對這些生物分子敏感的DNA納米結構，將其引入體內(nèi)后，就可以實時監(jiān)測細胞凋亡的進程。在實際應用中，DNA納米結構在活體成像與動態(tài)監(jiān)測面臨著諸多挑戰(zhàn)。體內(nèi)復雜的生理環(huán)境，如血液中的各種酶、蛋白質以及免疫系統(tǒng)的作用，可能會導致DNA納米結構的降解、聚集或被清除。DNA納米結構在體內(nèi)的靶向遞送效率較低，難以準確地到達目標部位。為解決這些挑戰(zhàn)，研究人員采取了多種策略。通過化學修飾提高DNA納米結構的穩(wěn)定性，如對DNA鏈進行甲基化修飾，增強其對核酸酶的抗性。利用納米載體，如脂質體、聚合物納米粒等，將DNA納米結構包裹起來，提高其在體內(nèi)的穩(wěn)定性和靶向遞送效率。在靶向遞送方面，通過設計更高效的靶向分子，如雙特異性抗體、多功能適配體等，提高DNA納米結構對目標部位的特異性識別和結合能力。五、結論與展望5.1研究成果總結本研究圍繞多功能DNA納米結構的構建及其在生物成像中的應用展開，取得了一系列具有重要意義的研究成果。在多功能DNA納米結構的構建方面，深入研究了DNA折紙術、DNA磚塊法、DNA鏈置換反應等多種構建方法。通過對DNA折紙術的研究，成功利用噬菌體DNAM13mp18作為長鏈，結合精心設計的短鏈DNA，實現(xiàn)了多種復雜二維和三維納米結構的構建，如矩形、三角形等二維圖案以及具有特定形狀的三維結構。在構建過程中，詳細分析了各構建方法的原理、操作步驟和關鍵影響因素。以DNA折紙術構建二維晶格結構為例，明確了通過caDNAno軟件精確設計結構、選擇合適的長鏈和短鏈DNA、控制Mg離子濃度和退火溫度等條件，能夠有效提高結構的構建效率和質量。通過對這些構建方法的深入研究，為多功能DNA納米結構的構建提供了堅實的技術基礎。在功能賦予方面，成功實現(xiàn)了多功能DNA納米結構的多種功能集成。通過引入熒光基團，利用化學偶聯(lián)和點擊化學等方法，將熒光素、羅丹明等熒光基團連接到DNA納米結構上，使其具備了熒光成像功能。通過引入靶向分子，如抗體、適配體、多肽等，賦予了DNA納米結構靶向識別與結合能力。將抗體通過化學修飾和邁克爾加成反應連接到DNA納米結構表面，使其能夠特異性地識別并結合腫瘤細胞表面的抗原。還實現(xiàn)了DNA納米結構的響應性與智能調(diào)控功能，使其能夠對溫度、pH值、離子濃度等外部刺激產(chǎn)生響應。設計的溫度響應性DNA納米結構，在特定溫度范圍內(nèi)能夠發(fā)生結構轉變，從而實現(xiàn)對溫度的監(jiān)測。通過一系列實驗驗證了這些功能的有效性，為其在生物成像中的應用奠定了基礎。在生物成像應用方面，取得了顯著的研究成果。深入研究了熒光成像、光聲成像、磁共振成像等多種生物成像技術的原理和特點。在腫瘤成像與診斷領域，深圳大學張學記和董海峰團隊利用DNA組裝的等離子體納米結構實現(xiàn)了活體SERS的miRNA檢測和腫瘤光聲成像。該研究構建的DNA組裝的“核-衛(wèi)星”結構（TetrAuCS），通過雜交等離子體耦合效應和光聲成像原理，實現(xiàn)了對體內(nèi)miRNA-21的高靈敏度檢測和腫瘤組織的清晰成像。在細胞內(nèi)分子成像領域，湖南大學張曉兵和李樂樂團隊通過空間限域DNA納米籠用于生物邏輯成像，實現(xiàn)了對細胞內(nèi)miR-21和Zn2?的協(xié)同識別和高靈敏度成像。這些研究成果展示了多功能DNA納米結構在生物成像中的巨大潛力，為腫瘤診斷、細胞生物學研究等提供了新的技術手段和方法。5.2未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)展望未來，多功能DNA納米結構在生物成像領域展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景和多樣的發(fā)展趨勢。在技術融合方面，多功能DNA納米結構與其他前沿技術的深度融合將成為重要發(fā)展方向。與人工智能（AI）和機器學習技術相結合，有望實現(xiàn)對生物成像數(shù)據(jù)的高效分析和解讀。通過AI算法，可以對大量的生物成像數(shù)據(jù)進行快速處理，自動識別和分析DNA納米結構在生物體內(nèi)的分布、代謝和功能變化等信息，為生物醫(yī)學研究和臨床診斷提供更準確、全面的決策支持。與納米技術的其他分支，如納米光子學、納米電子學等融合，將開發(fā)出更先進的成像技術和設備。利用納米光子學中的表面等離子體共振技術與DNA納米結構相結合，可以進一步提高成像的靈敏度和分辨率，實現(xiàn)對生物分子的單分子檢測。應用范圍的拓展也是未來的重要趨勢之一。在疾病診斷方面，多功能DNA納米結構將朝著更早期、更精準的方向發(fā)展。通過設計能夠特異性識別疾病早期標志物的DNA納米結構，結合高靈敏度