基于DNA功能納米結(jié)構(gòu)的生物傳感及分子邏輯電路研究.pdf

1、DNA的結(jié)構(gòu)具有多樣性，除了廣為人知的雙螺旋結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們通過體內(nèi)發(fā)現(xiàn)和體外篩選獲得了更為多樣的DNA結(jié)構(gòu)類型，如三鏈DNA、DNA十字叉結(jié)構(gòu)、G-四鏈體結(jié)構(gòu)、i-motif四鏈結(jié)構(gòu)以及各種脫氧核酶、DNA適配體等特有的三維立體結(jié)構(gòu)。這些特殊的結(jié)構(gòu)具有一定的功能，例如，脫氧核酶和DNA適配體的特殊序列，通過分子內(nèi)的氫鍵、堿基堆疊作用、靜電相互作用以及金屬離子配位作用等，形成特定空間結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出催化活性或者識別能力。除了這些體內(nèi)發(fā)現(xiàn)和體外

2、篩選獲得的功能DNA納米結(jié)構(gòu)，還可以利用結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)使DNA通過堿基互補(bǔ)配對自組裝成具有可控形狀和尺寸的DNA納米結(jié)構(gòu)。這些自然界存在的以及人工創(chuàng)造的DNA結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建具有廣闊應(yīng)用前景的基于DNA的納米器件提供了基礎(chǔ)。一方面，利用這些功能DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)象轉(zhuǎn)換，可發(fā)展新傳感原理，用于金屬離子、小分子、生物大分子、病毒和細(xì)胞等一系列目標(biāo)物的分析檢測;另一方面，各種自組裝DNA納米結(jié)構(gòu)也為基于DNA的智能納米器件的構(gòu)建提供了全新的平

3、臺。
　　基于以上兩個方面的考慮，我們利用DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)、G-四鏈體結(jié)構(gòu)、DNA雜交體等功能DNA納米結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性質(zhì)，發(fā)展免標(biāo)記比色生化分析方法，用于檢測單堿基錯配以及與核酸新陳代謝相關(guān)的酶。更進(jìn)一步，我們利用結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)可控的DNA納米結(jié)構(gòu)，并將其作為分子計算模塊，用于分子邏輯電路的設(shè)計，為構(gòu)建基于DNA的智能納米器件提供基礎(chǔ)。圍繞著這些目標(biāo)，我們主要開展了以下研究工作:
　　(1)開發(fā)了一種基于G-四鏈體-

4、氯化血紅素DNA酶的酶活性分析法(DNA酶-based enzyme activity assay(DEAA))，該方法可作為一種通用型方法，用于比色分析多種與DNA新陳代謝相關(guān)的酶的活性。在DEAA中，我們用到了DNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)和G-四鏈體結(jié)構(gòu)等簡單的DNA納米結(jié)構(gòu)，并且，我們設(shè)計了自組裝DNA納米機(jī)器，使其體外等溫擴(kuò)增能形成G-四鏈體結(jié)構(gòu)的序列，用于放大檢測信號，提高檢測靈敏度。DEAA是一種低成本、可視化、多目標(biāo)、具有普適性的檢測與

5、DNA新陳代謝相關(guān)的酶的活性的分析技術(shù)，而且，該技術(shù)還能擴(kuò)展用于酶的抑制劑的篩選以及單堿基錯配的比色分析。這個研究工作展示了簡單的功能DNA納米結(jié)構(gòu)在生化分析中的應(yīng)用潛力。
　　(2)結(jié)構(gòu)DNA納米技術(shù)為構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜精細(xì)的三維DNA納米結(jié)構(gòu)提供了途徑，然而，已有的組裝三維DNA納米結(jié)構(gòu)的方法大都復(fù)雜且需要較多種類的DNA鏈，針對這些問題，我們利用DNA納米結(jié)構(gòu)的幾何對稱性，在充分保留三維DNA納米結(jié)構(gòu)的可尋址性的前提下，以極少種類

6、的DNA鏈模塊化地組裝三維DNA納米結(jié)構(gòu)，極大地減小了組裝三維DNA納米結(jié)構(gòu)的成本。作為例證，我們以7條不同的DNA鏈組裝了具有良好可尋址性的DNA納米三棱柱。該DNA納米三棱柱為正三棱柱，其上下底面是邊長約為7.14 nm的等邊三角形，棱柱的高度約為3.40 nm，三棱柱內(nèi)部空腔體積約為75 nm3。我們使用聚丙烯酰胺凝膠電泳技術(shù)和熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)表征了DNA納米三棱柱的自組裝。我們考察了DNA納米三棱柱結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。DNA納米

7、三棱柱的熔解溫度曲線顯示，該DNA納米三棱柱在43℃時開始解構(gòu)，表明棱柱在室溫或者生理溫度下能很好地保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外，我們還考察了棱柱在人血清中的穩(wěn)定性。在37℃，10％(v/v)的人血清中，棱柱能保持其結(jié)構(gòu)的完整性約6.0h，表明該DNA納米三棱柱有望應(yīng)用于復(fù)雜生物體系中。
　　(3)在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們將DNA納米三棱柱作為一個通用型的分子計算模塊，構(gòu)建分子邏輯門。我們采用集成設(shè)計策略，將DNA三棱柱的不同部分

8、作為邏輯器件的不同功能元件。這種集成設(shè)計策略，使DNA納米棱柱成為一個通用型的平臺能構(gòu)建多種分子邏輯門，如二進(jìn)制基本邏輯門（“或”門、“與”門、“抑制”門、“異或”門），組合邏輯門（“抑制-或”門），多值邏輯門（三進(jìn)制“抑制”門）。而且，僅使用這一個DNA納米棱柱和四條單鏈DNA我們便成功構(gòu)建了一個DNA計算體系，可區(qū)分自然數(shù)中的奇數(shù)和偶數(shù)。此外，我們還證明了該刺激響應(yīng)型的DNA納米棱柱能在含有人血清的復(fù)雜生物基質(zhì)中穩(wěn)健地執(zhí)行邏輯操作。

9、
　　(4)最后，我們將自組裝DNA納米結(jié)構(gòu)與氧化石墨烯結(jié)合，構(gòu)建新型的DNA納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并將其作為一個通用型的平臺用于分子邏輯電路的設(shè)計。我們利用DNA納米技術(shù)組裝了一個DNA納米三腳架(DNA nanotripod)，并將其作為支架在納米尺度上調(diào)控其負(fù)載的熒光小分子與氧化石墨烯的相互作用，實(shí)現(xiàn)了一個三輸入的majority邏輯門。該majority邏輯門可在“或”邏輯門和“與”邏輯門之間切換，使其成為一個多功能的模塊，也