多功能DNA纳米结构的构建及生物成像

发布时间：2020-07-10 14:22

【摘要】：近四十年来,作为生物遗传物质的DNA,被广泛用做构建纳米器件的基础材料。其最显著的优点是可以在纳米尺度对分子进行操控,实现目标分子的精确定位和编程;同时,作为生物内源性的物质,DNA具有很好的生物相容性。利用DNA分子构建纳米装置,再将这些纳米装置用于调控生物系统的功能是DNA纳米技术的主要目的。本论文的主要内容是以DNA框架核酸结构为基元,构建fSunTag(framework nucleic acids SunTag)纳米探针,用于活细胞的多色成像;还利用DNA嵌段共聚物构建了两亲性的DNA四面体实现了疏水性荧光染料的转相。并进一步对DNA纳米结构在活体组织中的成像效果进行了研究,通过对脂质体进行密集DNA修饰,提升了肝肿瘤组织的成像信噪比。最后,利用DNA与蛋白的协同组装构建了蛋白-DNA的亚微米复合物。本论文主要涉及四部分工作,具体内容如下:1)以框架核酸结构—DNA四面体为基元构建了fSunTag探针,实现了高亮度,多通道的生物荧光成像;该方法可以精确的控制荧光分子的相对位置及组合方式,对荧光分子进行“编程”,从而构建出荧光强度量子化的多色探针,用于活细胞的多色成像。fSunTag还可以招募多个核酸适体,实现细胞的高亲和力成像。该方法具有很强的普适性,可实现细胞的高通量检测和多色成像。2)利用DNA嵌段共聚物构建了两亲性的DNA四面体实现了疏水性荧光染料的转相。通过调控两亲性DNA四面体上烷基链的数目,可以改变两亲性DNA四面体包裹的荧光分子数目。另外,该两亲性载体可以为装载的荧光分子提供保护,提高荧光分子在生理条件下的光稳定性和抗紫外光漂白的能力。3)利用DNA对脂质体进行了修饰,改变了脂质体在体内的代谢分布,降低了脂质体在正常肝脏组织中的累积。这种材料作为探针可以区分肝肿瘤组织和正常肝组织,提升肝肿瘤组织的成像信噪比。4)将DNA纳米技术和蛋白自组装技术结合起来,利用DNA的精确自组装和蛋白质分子的高效自组装,构建了同时具有DNA四面体和蛋白的复合结构。该复合结构包含了大肠杆菌菌毛蛋白CsgA组装的蛋白纤维和不同个数的DNA四面体,在亚微米尺度保持了很好的直链形态。这种组装方法为构建复杂纳米器件和功能材料提供了一种新思路。综上所述,我们利用DNA的可编程性和生物相容性,构建了可用于活细胞及生物组织成像的新型DNA纳米探针,探索并扩展了构建复杂DNA纳米结构的新方法。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;R318.08
【图文】：

历程,引言,纳米装置,脱氧核糖核酸

第 1 章引言第 1 章引言DNA 是脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid)的简称，具有右手双螺旋结构。1982 年，NadrianC.Seeman 教授利用 DNA 分子的互补配对自组装形成了具有高度几何对称性的“DNA 四臂结”[1]，开启了 DNA 纳米技术时代。经过几十年的发展，研究者们已经构建了大量形态各异、功能丰富的 DNA 纳米装置。DNA 纳米技术的发展历程如图 1-1 所示。

纳米结构,模块化,模块组

图 1-2 模块化组装 DNA 纳米结构(a) 最早的 DNA 四臂结 DX 模块和 TX 模块[25]。（b）使用 TX 模块组装的结构，用原子力显微镜进行了表征[26]。（c）使用三臂结模块和拉伸的四臂结模块组装得到的三维立体结构[28]。（d）通过精巧设计组装的三臂结结构组装得到的 DNA 晶体[29]。Figure 1-2 DNATile as building blocks for complex structure assembly(a) Self-assembly of four-armed junctions[25]. (b) Atomic force microscopy (AFM) images of DNAnanostructure with striped pattern[26]. (c) 3D discrete solids structure assembly of DNAtiles[28]. (d)Design of self-assembled DNAcrystals[29].1.1.2 DNA 折纸（DNAorigami）所谓“DNA 折纸术”，就是用一根长链的 DNA(scaffoldDNA)折叠成目标形状, 再用一些短链 DNA (staple strand)将形状固定。Paul Rothemund 在 2006 年开创性的利用 DNA 折纸术构建了 DNA 纳米结构[9]，如图 1-3a，这种方法可以

纳米结构

后构成了一个中空的盒状结构（图 1-3b）；有趣的是，它的盒盖能够打开或者关闭。Shih 课题组开发了名为多层折纸术的方法[31]，它是通过将 DNA 螺旋管密集的堆叠在一起形成各种形态的纳米结构(图 1-3c)，这些结构已经得到了广泛的应用。第三种方法是由 Yan 等人所开发[32]，它们将一条 DNA 骨架链反复折叠形成一个四面体的的结构，通过未配对的“铰链”来确定四面体的各个面。DNA 折纸术最新的发展方向是构建更复杂更精细化的结构并将其用于解决现实生活中的问题，例如：纳米材料编织、生物传感、精确给药等[33,34]。还有一种 DNA 组装方法，被称为 DNA 砖块（DNAbrick）。它是由 Yin 等人所开发[35]。它由一系列含有 4 个结合位点的单链所组成。它可以组装得到数字、字母、各种动物的形态。它也可以用来组装三维结构，被称为“乐高积木”(图 1-3d)。另外，Dietz 等将 DNA 折纸术中的 staple 链用蛋白分子代替，这些蛋白分子类似于转录激活因子，它们可以与特定的 DNA 双链区域结合，如图 1-3e。通过这种方式折叠骨架链得到圆环或者其它设计的结构[36]。

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