摘 要

DNA作为生命的遗传物质在世界范围内得到了广泛的研究。近三十年来，研究人员利用DNA的自组装特性创建组装了不同的二维和三维纳米材料，本文总结了基于DNA的典型二维和三维纳米材料。由于具有生物相容性、完全可编程性、明确的结构和易于功能化等优点，DNA纳米材料在许多方面都得到了广泛应用。本文按照DNA纳米材料的构建方法，从基于DNA Tile的分层自组装和DNA折纸技术两个方面，综述了DNA纳米材料在组装纳米粒子和蛋白、单分子检测以及生物医学等方面的应用。

关键词：DNA纳米材料；DNA Tile；DNA折纸术；应用

Abstract

As the life’s genetic material, DNA has been widely investigated around the world. In the past three decades, researchers have used the self-assembled characteristics of DNA to create and assemble different two-dimensional and three-dimensional nanomaterials. In this thesis, typical two-dimensional and three-dimensional nanomaterials based on DNA are summerized. Due to the advantages of inherent biocompatibility, full programmability, well-defined structure, and the ease to be functionalized, DNA nanomaterials have been widely used in many ways. According to the construction method of DNA nanomaterials, the applications of DNA nanomaterials in the assembly of nanoparticles and proteins, single molecule detection, and biomedicine are introduced in two aspects of DNA Tile-based layered self-assembly and DNA origami technology.

Key Words：DNA nanomaterials；DNA Tile；DNA origami；application

目 录

第1章 绪论 1

第2章 基于DNA Tile的DNA纳米材料的应用进展 2

2.1 基于DNA Tile 的纳米材料 2

2.1.1 基于DNA Tile 的二维结构 2

2.1.2 基于DNA Tile 的三维结构 4

2.2 基于DNA Tile 的纳米材料的应用 6

2.2.1 组装纳米粒子和蛋白 6

2.2.2 在生物医学领域的应用 8

第3章 基于DNA折纸的纳米材料应用进展 11

3.1 基于DNA折纸术的纳米材料 11

3.1.1 二维DNA折纸术 11

3.1.2三维DNA折纸术 11

3.1.3 新型的DNA折纸术 13

3.2 DNA折纸纳米材料的应用进展 14

3.2.1构建DNA机器或分子机器人 14

3.2.2构建单分子反应及检测的平台 14

3.2.3构建基于DNA折纸的药物传递系统 18

3.2.4构建DNA折纸/纳米粒子复合功能组装体 18

3.2.5构建微电子纳米器件 19

第4章 总结 22

参考文献 23

致谢 26

第1章 绪论

DNA是由四种脱氧核糖核酸组成的且负载由遗传信息的存在于细胞内的生物大分子。值得注意的是，DNA的尺寸大小是在纳米特征尺度范围内，存在与纳米材料一样的纳米量子效应，并且表观上显示为DNA发生了有序的自组装。简而言之，DNA 可根据碱基互补配对的原则进行自组装^[1]，即DNA分子与碱基在条件合适的情况下按照碱基配对原则自动组装(A-T、C-G)，空间结构上具有较高的可控度和精密度，因此研究者构建出了多种多样一维、二维和三维的DNA纳米结构。以DNA为基础构建的纳米结构形态不一，其构建方法则主要分为两种：DNA Tile和DNA折纸^[2]。

自20世纪80年代初以来，除了在大多数生物体中作为遗传信息的载体外，DNA作为一种化学材料，在纳米尺度的构建中的作用也在不断扩大^[3]。DNA纳米技术领域是由Seeman开创的，他创造了各种重要的DNA基序和自组装策略，构成了结构DNA纳米技术的基础。1983年，纽约大学的Seeman教授提出“四臂结”Tile 结构，多个Tile可以通过粘性末端链接到一起，得到二维结构，从而开创了Tile组装。粘性末端杂交形成刚性DNA连接^[4]，由此可以构建高度有序的二维 DNA晶格和三维多面体结构，显示出DNA纳米结构具有高度可设计性。后来研究者又利用DNA Tile 构建出各种各样的二维和三维结构。

2006年，一种新的DNA 自组装技术—DNA 折纸技术^[2]（DNA Origmi）的发明，使得我们可以在纳米级别上构建各种各样的DNA 结构。并且DNA折纸技术可以精确地放置和操作功能分子和生物分子。折纸术由两部分构成，一部分是长链DNA，另一部分则是短链DNA。在这种方法中，长单链DNA（M13mp18的7429核苷酸长的单链）和序列设计的互补链（称为“短链”）混合，然后从95℃退火到室温，通过自组装形成目标结构。DNA折纸系统不仅仅是形状变化，DNA折纸的显著特点是结构的所有位置都有DNA序列信息，这大大增加了DNA纳米结构的复杂性，使DNA折纸成为许多研究小组最广泛使用的方法之一。目前DNA 折纸术已在三维构建方面取得了较大进展^[5]。自2006年首次报道DNA折纸法以来，在相对较短的时间内，实现了多维结构的创建、功能化、单分子检测和分子机器的构建。

DNA纳米技术发展至今，已经可以组装出许许多多复杂的二维、三维甚至带有曲面的DNA 纳米结构了^{[6, 7]}。不断降低定制DNA序列合成的成本^[8]和新设计方法的开发^[9]，特别是模块化DNA折纸技术^{[2, 5]}、用户友好的计算机辅助设计软件^[10]和先进的模拟工具^{[11, 12]}都推动了结构DNA纳米技术的发展。目前，可编程DNA纳米结构可以在各种应用中找到新的发展，本综述总结了基于DNA Tile和DNA 折纸术的DNA纳米材料的构建及其在组装纳米粒子和蛋白、单分子检测和生物医学等方面的应用。

第2章 基于DNA Tile的DNA纳米材料的应用进展

一种有效组装DNA对象的策略是“分层”组装方法。在这里，组成物体的DNA链在高温下形成一个预结构复合物，在较低的温度下在分子内折叠成目标结构。不同部分的长度和顺序决定了结构形成的“层次”。DNA自组装技术使用的DNA Tile是一簇具有分支结构的DNA交叉分子，每个分子都有粘性末端，可以与互补的粘性末端的Tile嵌套结合, 逐步形成DNA分子网络结构。在DNA Tile组装中，较短的链通常首先组装成独特或相同的单元Tile^[13]，然后进一步组装成具有明确边界或无限二维镶嵌和三维晶体的高阶有限结构^{[14, 15]}。

2.1 基于DNA Tile 的纳米材料

Holliday四臂结连接是DNA的一种分支构象^[16]，被用作合成第一代DNA纳米结构的基础，称为DNA Tile。DNA Tile设计的发展进步源于所谓的“粘性末端”，即在连接处用于诱导DNA形状和结构结合的单链DNA（ssDNA）的未结合区域，如图2.1 所示。由于连接的准确性和粘性末端位置的可编程性，DNA Tile 自组装成为从各种DNA Tile结构构建复杂结构的关键策略。

图2.1 Holliday四臂结^[16]

2.1.1 基于DNA Tile 的二维结构

当DNA交叉结构具有粘性末端时，可以用来组装大的二维晶格。最初使用的不可移动连接是由寡核苷酸通过结合序列对称性约束和平衡计算而形成的四臂结连接和三臂结连接^[17]。在这些设计原则的基础上，发展了分支度更高的交叉点结构，如图2.2所示。同时研究人员注意到，增加分支度会降低结构的稳定性，并建议增加每一臂中核苷酸碱基对的数量，以减轻由此产生的结构不稳定性。通过对粘端设计的选择和控制，8臂和12臂连接也被成功构建^[18]。