高阶DNA纳米结构的构建及其生物学应用

发布时间：2019-01-28 21:03

【摘要】：DNA是一种天然的结构精巧、具有强大组装能力的一维纳米线。在过去三十年，结构DNA纳米技术以其为原材料，成功构建了一系列复杂的不同维度的DNA纳米结构，并能对这些结构的尺寸、形状、拓扑性质、手性、周期性等进行精确控制。构建高阶DNA纳米结构以实现更加复杂的功能是结构DNA纳米技术面临的一个挑战，以预制结构（例如tile、DNA折纸等）为“建筑砖块”再进一步组装是其中一个可行的办法。本论文主要研究内容为使用高度纯化的DNA四面体为“建筑砖块”构建了树状和链状的纳米结构，并进行了生物学应用的相关研究。主要研究成果如下： （1）DNA四面体的自组装、纯化与定量 本工作将体积排阻色谱法（SEC）和阴离子交换色谱法（AEC）用于大规模制备高纯度的DNA四面体等纳米笼，并且提出了一个准确定量纯化后纳米笼的方法。本工作成功纯化了一系列不同大小的DNA纳米笼结构，其中包括7种不同棱长的DNA四面体（7、10、13、17、20、26、30bp）和1种棱长20bp的三角双锥结构。这些高度纯化、无副产物的DNA纳米笼可用于构建产率更高的高阶DNA纳米结构，本工作以DNA四面体二聚体及三聚体为例来进行说明，使用SEC纯化的DNA四面体构建二聚体产率达到98%，三聚体产率为95%，而使用未纯化的“砖块”来构建，产率分别为14%和12%。本工作使用AFM成像直观地表征了DNA四面体单体、二聚体、三聚体，这表明纯化后的DNA纳米笼按照我们的设计成功构建了纳米结构，因此，本工作证明了高度纯化的DNA纳米笼是DNA纳米技术中出色的“砖块”，这将在DNA纳米材料的应用中显现巨大的潜力。 （2）DNA四面体树状结构的组装及其载药应用 本工作成功构建了第一代、第二代和第三代（G3）的DNA四面体树状结构，通过在四面体上设计四个粘性末端（25个碱基），然后通过逐层杂交的方式进行树状结构的构建。本工作还比较了第一代树状分子（G1）和四面体（G0）分别载带Dox在克服癌细胞抗药性方面的效果，数据表明以G0（四面体）和G1结构为载体都能对耐药细胞的增殖产生抑制，但使用G1结构的抑制效果要优于四面体G0。 （3）基于DNA四面体的线性组装构建多色barcode 本工作构建了长达7个四面体的串联结构，理论尺寸最长为88nm，并使用高分辨率AFM进行了表征。AFM数据证明了串联结构构型并不均一，呈现一字型、L字形、自由蜷曲等多种形貌。本工作以四面体七聚体为基体，在各个四面体上标记Alexa488（绿光）、ROX（橙光）、Cy5（红光）三种荧光，设计了一个多达36种barcode的数据库。 （4）基于DNA四面体的多价aptamer探针的构建及其应用 本工作使用DNA四面体载带血小板衍生因子（PDGF） aptamer，，解决了以下几个问题：第一，DNA四面体增加了PDGF aptamer在含血清培养基中的稳定性，单独PDGFaptamer与含血清培养基孵育6小时左右已开始降解，而与四面体连接后（TH20-1Apt和TH20-4Apt）至少12小时保持稳定；第二，aptamer在DNA四面体上进行多价连接提高了其与靶标的亲和性；第三，四面体可以将本不能进入细胞的aptamer运输至细胞内，并且进入细胞的过程中，PDGF aptamer起到了一定的靶向作用；第四，四面体-aptamer复合物有效抑制了癌细胞的增殖 （5）甘油速率区带离心法分离纯化DNAorigami 本工作使用甘油速率区带离心纯化了方块DNA折纸，甘油速率区带离心相比琼脂糖凝胶电泳具有很明显的优势：第一，可高通量回收，操作简单。琼脂糖凝胶电泳一般可纯化0.1-1μg DNA折纸。当纯化100μg以上时将是非常繁琐费力的，因为在电泳之后包括提取、脱盐、浓缩一些步骤。对于甘油速率区带离心，一个离心管一般可回收0.1-100μg DNA折纸，一次离心可以使用多个离心管，所用的离心管容量大小选择也较多。并且已有商业化的设备可用于梯度混合、组分收集，这使得超速离心法面向自动化，更进一步推动更大规模的纯化；第二，不含DNA嵌入染料、凝胶颗粒等的污染。
[Abstract]:DNA is a natural and delicate one-dimensional nano-wire with strong assembly capability. In the past three decades, structured DNA nano-technology has successfully constructed a series of complex DNA nanostructures with different dimensions, and can precisely control the size, shape, topological properties, hand and periodicity of these structures. The construction of high-order DNA nanostructures to achieve a more complex function is a challenge for structural DNA nanotechnology, which is a viable option for further assembly of the 鈥渂uilding brick鈥

本文编号：2417312