{首页主词},&

樊春海、顏顥團隊Nature：用戶自定義的DNA-二氧化硅復合材料

2018-07-27 11:27:00 作者：本網整理來源： X-MOL 分享至：

人們通常認為遺傳信息存儲在DNA的一維序列中。然而，近年來隨著三維基因組領域的發展，研究者已經越來越多地認識到生物體內很多基因調控信息是以特定形式存儲在核酸的高級拓撲結構中。與之相應的，DNA納米技術的興起為通過DNA序列編碼在體外合成與發展人工DNA納米結構提供了新的可能。尤其是隨著以“DNA折紙術（DNA origami）”為代表的一系列DNA自組裝技術的發展，研究者已經可以在溶液中合成出結構精細、形狀各異的復雜DNA納米結構，包括各種納米孔道結構。

以蛋白質離子通道為代表的生物孔道結構在生物體內的傳質、換能和信號傳導過程中發揮著關鍵性作用。近年來，仿生納米孔道結構的設計與構建已成為一個研究熱點，并且為生命分析、合成化學和限域催化等提供了新的可能。然而，如何構建穩定可靠的納米孔道結構始終是一個挑戰性問題。例如，經典的蛋白質納米孔結構精確，然而其可控性和穩定性限制了它的廣泛應用；通過電子束刻蝕固態納米孔道則面臨著成本高、重復性差、通量低等問題。采用DNA納米技術來合成納米孔道結構則具有可編程設計、成本低廉、通量高等優點。然而，DNA孔道結構的剛性和穩定性則又成為其廣泛應用的障礙。如何在維持DNA結構精確性的前提下提升其強度亦已成為DNA結構納米技術領域的一個巨大挑戰。

中國科學院上海應用物理研究所樊春海（Chunhai Fan）課題組與亞利桑那州立大學顏顥（Hao Yan）課題組近期發展了一種新方法，可以在保持DNA納米結構精巧設計的前提下，提升其力學性能的方法。海洋單細胞生物硅藻的精巧二氧化硅外殼結構為研究人員提供了思路。在自然界中，各種復雜骨骼結構多是由蛋白框架誘導無機礦物生成。在該工作中，他們提出框架核酸誘導二氧化硅沉積的團簇預水解策略（OMPC），將經典St?ber硅化學引入DNA結構體系，通過二氧化硅仿生礦化方法，成功實現了精確可控的DNA-二氧化硅復雜納米結構制備。相關論文于2018年7月16日在線發表于Nature，劉小果（Xiaoguo Liu）博士、張菲（Fei Zhang）博士和博士研究生靖薪薪（Xinxin Jing）為該文共同第一作者。

DNA框架誘導團簇預水解策略與對應的分子動力學模擬驗證。圖片來源：Nature

生物礦化領域在納米尺度精確控制礦物形貌上面臨很大的挑戰。早期研究工作主要利用化學氣相沉積（CVD）方法配合DNA納米結構來完成二維平面結構的制備。但是，CVD技術中二維DNA納米結構不可避免的會脫水、形變，三維DNA納米結構則更難維持其原本設計。而相比之下，基于溶液體系的二氧化硅仿生礦化方法可以最大程度的保持各種DNA納米結構的原始設計。該方法還可以由二維平面結構拓展至三維框架、三維曲面結構、簡單幾何結構以至復雜有序結構等等。從而，一方面突破了傳統硅化學合成在材料結構尺度上的限制，實現了納米尺度的精確二氧化硅結構的制備；另一方面還能顯著提高這種框架核酸的力學強度，使基于DNA的固態納米孔在保持精確結構的同時還具備了更好的力學性能。

二氧化硅仿生礦化精度驗證。圖片來源：Nature

研究表明，這種框架誘導的團簇預水解策略可以在納米尺度上忠實地將DNA序列編碼的自組裝結構復制成具有剛性結構的精確二氧化硅構型。分子動力學模擬證明，當溶液中存在的陽離子硅烷（TMAPS）與作為硅源的正硅酸乙酯（TEOS）預水解，形成帶有三個正電荷以上的分子團簇時，就能使框架核酸表面沉積上二氧化硅。通過優化實驗參數，則可以很好控制DNA-二氧化硅結構的厚度和粗糙度。

普適性驗證。簡單二維幾何結構、層級二維幾何結構、三維框架、曲面三維結構到二維陣列。圖片來源：Nature

為了驗證該策略的普適性，他們將這一反應體系用于各種人工設計的自組裝核酸結構，均獲得了精度可達2納米的DNA-二氧化硅結構。特別的，他們合成了一種仿硅藻外殼結構。這種由框架核酸誘導產生的仿硅藻結構具有多級納米孔，最小孔徑可達2.7納米，其外周則為棱長約為50納米的高級六方孔結構。

材料納米力學性能研究。圖片來源：Nature

值得指出的是，電子束刻蝕很難制備出如此微小且具有多級特征的的固態納米孔。而且，進一步的納米力學性能研究還表明，這種DNA-二氧化硅復合結構的抗壓強度要比純DNA結構提升一個數量級，即可達1 GPa。這種框架核酸誘導的納米孔道結構不僅精確、可控、穩定，而且能大批量制造。以1 nM濃度的框架核酸計算，100微升溶液即可制備出1010個具有復雜納米孔道結構的單元。這就為基于納米孔道的生命分析化學提供了全新的工具。目前，納米孔道結構已在納流控、核酸測序、單分子檢測等方面發揮了重要的作用。因此，可以預期，這種本身具有的精確性和多元特異性框架核酸必將為研究納米孔道中的新奇物理、化學性質和分析應用提供廣闊的前景。

這項工作還被Nature Podcast選為當期研究亮點，以“Tougher DNA nanostructure”為題報道。這項研究展示了DNA結構納米技術與無機材料結合的可能性，將會衍生出跟多新的化學與材料課題，例如基于該結構的納米光電子學器件、納流控、核酸測序、單分子檢測等。