基于DNA納米機(jī)器構(gòu)建及對(duì)納米金催化活性可逆調(diào)控的研究.pdf

1、DNA，即脫氧核糖核酸，作為主要的遺傳物質(zhì)，其包含了生物體幾乎全部的遺傳信息。但是在21世紀(jì)，伴隨著量子論的蓬勃發(fā)展和顯微技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米世界的大門悄然打開(kāi)，研究發(fā)現(xiàn)DNA不僅是生命遺傳信息的載體，更是一種高分子納米材料。因其玲瓏的身形和優(yōu)美的結(jié)構(gòu)，DNA納米技術(shù)蓬勃發(fā)展?？梢哉f(shuō)，核酸納米技術(shù)的黃金時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。作為一種特殊的高分子，DNA不僅有精確互補(bǔ)配對(duì)、相互識(shí)別的特點(diǎn)，更有著雙鏈、三鏈、四鏈等二級(jí)結(jié)構(gòu)的多樣性，通過(guò)適當(dāng)?shù)男蛄性O(shè)

2、計(jì)和條件控制可以人為地操縱DNA的結(jié)構(gòu)或構(gòu)象的變化，可以實(shí)現(xiàn)納米尺度的可控運(yùn)動(dòng)。利用DNA組裝出納米尺度下能夠運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的“納米機(jī)器”是這個(gè)領(lǐng)域更具挑戰(zhàn)性的前沿課題，對(duì)我們認(rèn)識(shí)納米尺度下的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律、生物分子的相互作用與調(diào)控機(jī)制等有著重要意義。因此，DNA以其精確的互補(bǔ)配對(duì)能力、序列的可編程性、結(jié)構(gòu)的多樣性和變化的可控性成為構(gòu)建分子機(jī)器的優(yōu)越材料。
　　DNA分子機(jī)器(molecular machine)，亦稱分子馬達(dá)(

3、molecular motor)，就是以DNA不同結(jié)構(gòu)或構(gòu)象間的可控轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，能夠在分子水平上實(shí)現(xiàn)納米尺度的運(yùn)動(dòng)或能量轉(zhuǎn)換的裝置。其中一類就是環(huán)境刺激響應(yīng)的裝置，這類分子機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)取決于溶液的環(huán)境條件，如pH值或某種離子的濃度改變等。而G4DNA是一組富含烏嘌呤(G)的核酸序列，在堿性離子K+存在的條件下能夠折疊形成獨(dú)特的四鏈螺旋結(jié)構(gòu)（即G-四鏈體），而區(qū)別于遵循傳統(tǒng)A-T、C-G堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成的Watson-Crick雙鏈結(jié)構(gòu)

4、。但是當(dāng)K+濃度過(guò)低或者是失去K+時(shí)，則會(huì)解鏈重新形成DNA單鏈結(jié)構(gòu)(single strand DNA)。所以，我們利用G-四鏈體的特殊構(gòu)象，以G4DNA組裝出納米尺度下能夠運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的分子機(jī)器。
　　納米金(gold nanoparticle)，也稱金納米粒子，直徑在1-100nm，是一種新型的無(wú)機(jī)納米材料。納米金并不是自然產(chǎn)物，通常由氯金酸還原法來(lái)獲得。由于它具有很好的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，高效的生物兼容性以及容易和生物大

5、分子結(jié)合（通過(guò)靜電吸附或者-SH、-NH2、-CH等基團(tuán)的親和力），結(jié)合之后穩(wěn)定且不影響其活性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于納米科技領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，納米金還有一項(xiàng)重要的性質(zhì)，就是其催化活性。它不僅能作為負(fù)載型催化劑來(lái)催化CO和NO，更重要的是金膠體溶液具有類似葡萄糖氧化酶(GOx)樣的催化活性。其催化氧化葡萄糖的反應(yīng)機(jī)理同葡萄糖氧化酶類似。能夠在有氧條件下高效、專一地催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和H2O2。但是同葡萄糖氧化酶相比，納米金制

6、備簡(jiǎn)單、獲得更為方便、成本低、對(duì)酸堿的耐受能力高、在自然環(huán)境中比較穩(wěn)定，且無(wú)毒，無(wú)副作用?；谝陨蟽?yōu)越的特性，納米金能夠在一定條件下代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生物酶，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染物處理、生物傳感器等領(lǐng)域，并有望在活細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮葡萄糖氧化酶樣的催化活性。所以作為人工模擬酶，納米金越來(lái)越吸引人們的注意。
　　我們都知道，可以通過(guò)自組裝的DNA納米結(jié)構(gòu)或者是DNA鑷子等來(lái)調(diào)控葡萄糖氧化酶和辣根過(guò)氧化物酶兩者在空間位置的距離來(lái)調(diào)節(jié)酶聯(lián)反應(yīng)的催化活性，

7、從而達(dá)到對(duì)葡萄糖氧化酶催化活性的調(diào)控，那么怎么對(duì)納米金的催化活性來(lái)進(jìn)行調(diào)控呢？
　　本論文中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種DNA納米機(jī)器，即用巰基修飾的富G單鏈DNA序列，將其組裝到直徑為10nm的納米金粒子表面來(lái)構(gòu)建DNA納米機(jī)器（開(kāi)關(guān)）。當(dāng)富G核酸呈DNA單鏈狀態(tài)（機(jī)器開(kāi)的狀態(tài)，即open state）時(shí)，納米金的葡糖糖氧化酶的催化活性較高，而加入一定濃度的堿性金屬離子K+后，其可在納米金表面形成特殊的空間構(gòu)象，即G-四鏈體結(jié)構(gòu)（機(jī)器處于關(guān)