武春雷 粟 武

(中國科學院深圳先進技術研究院生物醫(yī)藥與技術研究所 深圳 518055)

基于 DNA 組裝的納米光電技術新進展

武春雷 粟 武

(中國科學院深圳先進技術研究院生物醫(yī)藥與技術研究所 深圳 518055)

新型納米光電器件需要在納米尺度實現(xiàn)對光學元件進行精確和可控的空間排列。DNA 具有獨特的堿基配對識別機制和雙螺旋結構，以及制備簡單，形狀和尺寸均可程序化設計，并可精確定點修飾等優(yōu)勢，因此已經(jīng)作為模板組裝各類超分子廣泛應用于納米光電和納米醫(yī)學等領域。DNA 組裝的光子陣列是將一系列的發(fā)色官能團根據(jù)設計需要精確定位在 DNA 模板上，通過多步熒光共振能量轉移，完成光子的傳遞過程。文章主要綜述了近年來基于 DNA 組裝的光子陣列取得的新進展，并對以后的發(fā)展進行展望。

DNA 納米技術；光子陣列；熒光共振能量轉移；吡咯—咪唑聚酰胺；量子點；光捕獲

1 引 言

納米技術的誕生為光電器件的設計與研制帶來了新的發(fā)展前景。因此新一代的光電器件需要在納米水平對光學元件進行精確、可控的空間排列，這是傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的。分子自組裝技術通過靜電作用、范德華力、疏水作用力、氫鍵等非共價鍵作用能夠在分子水平實現(xiàn)有序的定位、定向排列，為納米光電器件的研制提出了新的方法——自下而上(Bottom to Up)的組裝方式。在自然界中，DNA 具有高度選擇性的堿基配對作用(腺嘌呤 A 與胸腺嘧啶 T 配對，鳥嘌呤 G 與胞嘧啶 C 配對)和雙螺旋結構，通過對 DNA 序列的精密設計，DNA 分子可以自組裝成二維和三維等可控的納米結構。而且 DNA 的合成方法簡單、成本低，易于在特定位置進行化學修飾，有利于功能分子沿著 DNA 鏈精確排列。這些特點使 DNA 在功能納米器件的組裝和構建中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢[1-4]。

在 DNA 組裝的眾多納米光電器件中，各種類型的光子陣列的組裝與設計備受關注[5-7]，它們在光處理和光開關器件[8,9]和生物探針[10]等領域都具有潛在的應用價值。關于 DNA 組裝的光子陣列本研究組曾做過相關的綜述[5]，而本文將主要對近年來 DNA 組裝的光子陣列的研究發(fā)展前沿做一綜述，包括 DNA 折紙術(DNA origami)組裝的光子陣列，DNA 結合具有特異識別功能的聚酰胺、納米材料組裝光子陣列，以及 DNA用于光捕獲天線的組裝。

2 基于 DNA 組裝的光子陣列

DNA 組裝的光子陣列是以 DNA 分子作為模板，一系列的發(fā)色團以一定的模式排列在 DNA鏈上，這些發(fā)色團的吸收和發(fā)射光譜有部分重疊，并依次紅移形成能量層。當輸入發(fā)色團被激發(fā)后，激發(fā)態(tài)能量通過熒光共振能量轉移(Fluorescence Resonance Energy Transfer，F(xiàn)RET)依次轉移到輸出發(fā)色團，完成光子的傳遞過程。FRET 有兩種模式，即非均相(hetero-FRET)和均相(homo-FRET)。其中，hetero-FRET 指具有能量差的不同的熒光染料間，能量沿著能量差單向傳遞，并伴隨著光譜紅移(圖1(a))。homo-FRET發(fā)生在同一種染料間，由于染料的斯托克斯位移太小，導致吸收與發(fā)射光譜重疊較多，能量在染料間無方向的擴散性傳遞(圖1(b))。

2.1 基于 DNA origami 組裝的光子陣列

圖1 多步 hetero-FRET (a) 和 homo-FRET (b) 示意圖(箭頭表示能量傳遞方向)Fig.1. Schematic diagram of multi-step hetero-FRET (a) and homo-FRET (b)(Arrows indicate the direction of energy transfer)

DNA origami 是利用 DNA 分子的特殊結構和堿基互補配對的規(guī)則，將 DNA 長鏈的特定區(qū)域進行折疊，并用短鏈加以固定，構造出預期的結構[11]。利用 DNA origami 得到的結構作為模板組裝熒光分子，可以得到多種模式的光子陣列，并能控制能量傳遞方向。Stein 等[12]基于 DNA origami 自組裝技術，利用長鏈 DNA 模板和修飾熒光基團的短鏈 DNA 構建了二維的光子陣列。修飾綠色“跳躍”染料 ATTO565 的短鏈 DNA 的位置選擇性地控制能量從藍色染料 ATTO488 轉移到紅色染料 ATTO647N 或者近紅外染料 Alexa 750(圖2(a))。與此類似，Hannestad 等[13]用“Y”型 DNA 鏈作為構建單元組裝成了六邊形的 DNA 網(wǎng)狀結構，并在特定位置修飾 Pacific Blue(PB)、fluorescein、Cyanine3(Cy3)三種熒光發(fā)色基團。如圖2(b)所示，沒有 YO-PRO-1(YO)嵌入 DNA 雙鏈時，PB 的激發(fā)能會轉移到輸出染料 fluorescein，轉移效率達到 57%，隨后少部分能量會繼續(xù)從 fl uorescein 轉移到 Cy3，但能量轉移效率只有 29%。加入 YO 時，PB 的激發(fā)能經(jīng) YO 轉移到 Cy3，能量轉移效率顯著增加，達到 50%?？梢钥闯?，YO 作為中間染料選擇性地控制了能量的傳遞和輸出。

Stein 等[12]和 Hannestad 等[13]利用 DNA origami 的多維納米結構在中間染料的作用下控制了能量傳遞方向。Graugnard 等[14]則利用 DNA origami 為多步 FRET 設置了開關功能，動態(tài)控制能量傳遞。Graugnard 等[14]設計了兩個開關，即開關 1 和開關 2，圖2(c) 所示為開關 2。開關2 包含一條長鏈的支架 DNA 和三條用于固定的短鏈 DNA，其中三條短鏈 DNA 分別修飾輸入染料 FAM(藍色)、中間染料 TAMRA(綠色)和輸出染料 Cy5(紅色)，第四條控制鏈(深紅)在其靠近Cy5 的一端修飾淬滅基團 IBRQ，用于控制能量傳遞。當五條 DNA 鏈雜交后，通過多步 FRET能量由 FAM 經(jīng) TAMRA 傳遞到 Cy5，由于 IBRQ的存在，Cy5 發(fā)出的熒光被 IBRQ 淬滅，開關 2處于“OFF”的狀態(tài)。當加入去除鏈(粉色)時，去除鏈與修飾 IBRQ 的控制鏈雜交，控制鏈脫離DNA 支架，Cy5 熒光恢復，開關 2 處于“ON”的狀態(tài)。當繼續(xù)加入恢復鏈(黃色)，恢復鏈與去除鏈雜交，控制鏈被釋放，重新與 DNA 支架雜交，Cy5 的熒光又被 IBRQ 淬滅，開關 2 回到“OFF”的狀態(tài)。

圖2 DNA origami 組裝的多樣化光子陣列Fig.2. Various photonic array assemblies based on DNA origami

開關 1 的設計與開關 2 類似，不同的是TAMRA 代替 IBRQ 修飾在控制鏈的中間位置，之前修飾 TAMRA 的短鏈 DNA 不做任何修飾，只起固定作用。開關 1 的“ON”、“OFF”狀態(tài)與開關 2 剛好相反，兩個開關是互補的。原則上，兩個開關結合使用能執(zhí)行任何布爾函數(shù)，Cy5 熒光信號的存在或者消失對應邏輯“1”或者“0”。

利用 DNA origami 組裝光子陣列多采用較長的 DNA 鏈，而且發(fā)色團一般通過共價作用連接在 DNA 鏈上，或者共價作用與非共價作用相結合。Zhang 等[15]打破了這一傳統(tǒng)的方法，利用只有 6 個堿基長度的 DNA，不需要任何發(fā)色團的共價修飾，結合金屬離子螯合作用、環(huán)糊精與金剛烷主客體作用等超分子組裝模式，構建了 DNA 納米光子線。這 6 個堿基長度的 DNA 包含四個連續(xù)的鳥嘌呤 G，兩端修飾金剛烷分子。當 K+存在時，四條短鏈 DNA 基于鳥嘌呤的堆積作用形成四個 G 共面的 G-四聚體。當加入 β-環(huán)糊精修飾的卟啉環(huán)時，G-四聚體兩端的金剛烷基于主客體作用嵌入 β-環(huán)糊精，形成數(shù)個 G-四聚體相連的 DNA 納米線。此時 SYBR Green 1 以1∶1 的模式嵌入 G-四聚體，由于 SYBR Green 1 的發(fā)射光譜與卟啉的吸收光譜相重疊，因此從SYBR Green 1 到卟啉發(fā)生 FRET，能量傳遞效率達到 75%(圖2(d))。

2.2 基于分子特異性識別 DNA 模板組裝光子陣列

吡咯—咪唑聚酰胺(Pyrrole-Imidazole Polyamides，Py-Im PA)是一類能夠特異性識別雙鏈 DNA 的發(fā)夾型芳香雜環(huán)化合物，與 DNA 結合具有高度的選擇性和親和力，DNA 識別長度可以達到 6～10 個堿基。吡咯—咪唑聚酰胺中的Py、Im 單體與雙鏈 DNA 的堿基發(fā)生氫鍵作用，產(chǎn)生特異性結合，其中 Py/Im 特異性識別 C/G，Py/Hp(N-甲基-3 羥基-吡咯)特異性識別 A/T，結合模式如圖3(a) 所示[16]。

目前吡咯—咪唑聚酰胺已廣泛應用于調(diào)控基因表達、抑制腫瘤活性和 DNA 檢測等領域[17]，很少有研究小組將吡咯—咪唑聚酰胺應用到納米光子線的組裝中。作者所在研究組基于吡咯—咪唑聚酰胺對 DNA 的識別作用，首次構建了吡咯—咪唑聚酰胺組裝的 DNA 納米光子線[18]。首先，一條 DNA 鏈的 5' 端修飾 PB 作為能量供體，與其互補的 DNA 鏈的 5' 端修飾 Cy3 作為能量受體，YO 作為內(nèi)嵌染料修飾在聚酰胺末端。聚酰胺特異性識別雜交的雙鏈 DNA 后，PB 的激發(fā)能就會經(jīng) YO 傳遞到 Cy3。與只用 YO 嵌入DNA 雙鏈組裝的光子線相比，借助聚酰胺組裝的 DNA 光子線 FRET 效率大大提高，從 15% 增加到 49%。并且這種組裝方法使光子線的長度能夠達到 80 個堿基，約為 27 nm，超越了之前各類DNA 納米組裝方法所能實現(xiàn)的能量傳遞距離。

圖3 基于特異性識別 DNA 模板組裝光子陣列Fig.3. Photonic array assemblies based on the speci fi c recognition of DNA templates

雖然該組裝方法的能量傳遞效率有所提高，但是在這種方式組裝的納米光纖結構中，YO 間的能量轉移是雙向共振式的 homo-FRET，因而許多能量在均相共振過程中損失，而不能有效定向地轉移到 Cy3 受體，導致能量轉移效率隨著 YO-YO 間轉移次數(shù)的增加而減少。為了設計更巧妙的、方向可控的基于聚酰胺組裝的 DNA納米光子陣列，本研究組又以“Y”型 DNA (Three-Way Junction，3WJ)為支架發(fā)展了控制能量傳遞方向的非均相的 DNA 納米光子傳遞系統(tǒng)[19]。如圖3(b) 所示，PB-DNA20、Cy3-DNA30 和 Cy3.5-DNA20 (20、30 表示 DNA 堿基個數(shù)，PB、Cy3、Cy3.5 表示修飾在 DNA 5' 端的染料)構成 3WJ，其中 3WJ 的左臂含有 PA1 的識別序列 5' -WGGWCW-3' (W 為 A 或者 T)，右臂含有 PA3 的識別序列 5' -WGWCGW-3'，PA1、PA3 末端均修飾中間染料 A488。在三維的 3WJ結構中，PA1、PA3 仍然能夠有效識別靶序列，并控制 FRET 沿著 3WJ 的左臂從 PB 經(jīng) A488 到Cy3，或者沿著其右臂從 PB 經(jīng) A488 到 Cy3.5，或者兩者同時發(fā)生。這是首次將聚酰胺應用到多維的 DNA 納米光子陣列中，證明了具有高特異識別能力的聚酰胺成為一種新的強有力的工具用于 DNA 光子陣列的組裝。

2.3 基于量子點感光的 DNA 光子陣列

DNA 組裝的多發(fā)色團的納米光子線，依賴于排列在 DNA 支架上的發(fā)色團的光物理性能。這些發(fā)色團多是普通的有機染料。然而有機染料的吸收與發(fā)射光譜較寬，在發(fā)生 FRET 時容易產(chǎn)生光譜干擾，并且光穩(wěn)定性弱、易被光漂白，這些不足影響發(fā)色團間的能量傳遞效率，阻礙了納米光子線的進一步發(fā)展。因此研究者努力尋找合適的發(fā)色團用于構建納米光子線，將目光轉向了光性能優(yōu)越的熒光納米材料。量子點(Quantum Dots，QDs)是一種尺寸介于 l～20 nm 的半導體熒光納米顆粒，具有尺寸依賴的吸收和發(fā)射光譜，量子產(chǎn)率高，光穩(wěn)定性強等獨特的光學性能[20]。因此量子點成為 FRET 供體的最佳選擇。

Boeneman 等[21]將能夠發(fā)生連續(xù) FRET 的熒光染料 Cy3、Cy5、Cy5.5、Cy7 依次標記在DNA 鏈上，當其與互補鏈雜交后修飾在 QDs 表面時，構成了以 QDs 為中心供體的 DNA 納米光子線(圖4)。這個體系充分利用了 QDs 的光學優(yōu)勢，并且一個量子點表面可以連接 4 條 DNA光子線，形成以 QDs 為中心的樹枝狀結構。然而該體系的能量傳遞效率并不高，四步連續(xù)的FRET 之后只有 0.1%。在后續(xù)的實驗中，該研究小組為提高 FRET 效率，從四個方面進行優(yōu)化：(1)優(yōu)化 DNA 修飾化學使其更小和更易操作；(2)優(yōu)化供體—受體染料對，去掉光不敏感的 Cy7，增加 Cy3.5，使供體、受體光譜重疊更充分；(3)根據(jù)斯托克斯位移 R0優(yōu)化 DNA 鏈上熒光染料之間的距離，依次為 1.5 R0、1.0 R0和 0.5 R0；(4)增加 QDs 表面 DNA 光子線的數(shù)目。結果表明，當供體、受體之間的距離為 0.5 R0時，能量傳遞效率最高。與第一代 QDs-DNA 混合結構相比，第二代結構能量傳遞效率提高了 2 個數(shù)量級，達到 10%[22]。

QDs-DNA 混合光子結構的組裝才剛剛開始探索，還有很多的條件需要優(yōu)化以提高能量傳遞效率。例如避免染料的光降解或者采用光性能更強更穩(wěn)定的染料，在結構設計方面將會朝著更復雜的結構發(fā)展，如 QDs 與多維 DNA 納米結構相結合，或者多個 QDs 排列在 DNA 鏈上，構建多個能量供體少數(shù)受體的體系。

圖4 基于 QDs 感光的 DNA 納米光子線Fig.4. DNA programmed photonic arrays taking QDs as central donor

2.4 DNA 組裝的光捕獲天線

光捕獲天線起源于生物有機體光合作用中的光捕獲復合物[23]。光捕獲天線通過多步的 homo-FRET 或者 hetero-FRET，將排列在分子支架上的多個光吸收分子的激發(fā)能轉移到單個或者少數(shù)的能量受體，如圖5(a)所示。類似于 DNA 組裝的光子線，DNA 組裝的光捕獲天線也可以利用DNA orgami 組裝成二維、三維等多種復雜結構。Dut

ta 等[24]以七條螺旋 DNA 束組裝成柱形陣列構建了光捕獲天線。如圖5(b)所示，柱形陣列中周圍的六條螺旋 DNA 修飾供體染料乙炔基芘(Py)、Cy3，中心的螺旋 DNA 修飾受體 Alexa Fluor 647 (AF)。其中 Py 作為一級供體，Cy3 作為二級供體，能量從 Py 轉移到 Cy3，再從 Cy3轉移到 AF。三種染料配比不同，能量傳遞效率也會受之影響。在比例為 6∶6∶1、6∶3∶1、3∶6∶1、1∶1∶1 時，天線效率 AE(激發(fā)供體時受體的發(fā)射強度與直接激發(fā)受體時受體的發(fā)射強度的比值)分別為 85%、43%、47%、16%。這是由于 Py 的減少會使光吸收能力減弱，而 Cy3 的減少會使 Py 到 Cy3 的能量傳遞效率降低，從而使 AE 有所降低。

Garo 等[25]將多個菲分子(Phenanthrene)代替DNA 堿基交錯修飾在兩條互補的 DNA 鏈的中間位置，一個芘(Pyrene)分子連接在其中一條堆積的菲分子的末端(圖5(c))。當 320 nm 的光激發(fā)菲時，最末端的菲和芘形成激態(tài)復合物，發(fā)出450 nm 的熒光，熒光強度隨著菲分子數(shù)目的增加而增強。因此在這個結構中，多個堆積的菲分子作為光吸收天線，菲—芘激態(tài)復合物作為能量收集中心。在此基礎上，該研究小組對此構建方法進行改進，將芘修飾在另外一條鏈的中間位置(綠色)，讓其與中間位置修飾有多個菲分子的兩條 DNA 鏈(紅色和藍色)形成 3WJ 型 DNA 納米結構(圖5(d))[26]。如果以二萘嵌苯或者 Cy 染料代替芘構建 3WJ 結構，菲的激發(fā)能就會通過能量轉移

圖5 DNA 作為模板組裝的光捕獲天線Fig.5. Light-harvesting antennas using DNA as the template

被二萘嵌苯淬滅或者使 Cy 發(fā)射熒光。如前所述，Dutta 和 Garo 等都是將供體分子共價連接在 DNA 鏈上，這就限制了光捕獲復合物中供體分子的數(shù)目(Garo 等[25]設計的結構中能夠連接 8 到 10 個菲分子)，并且隨著供體數(shù)目的增加，DNA 合成難度會逐漸增大。Benvin 等以嵌入染料 YO-PRO-1 作為能量供體，Cy3 作為能量受體，利用 3WJ 型、四面體型 DNA 構建多維的光捕獲復合物時表明，每兩個堿基對就能嵌入一個染料分子[27,28]，可見 DNA 嵌入染料作為光捕獲劑的巨大優(yōu)勢。因此 Woller 等[29]以嵌入染料 YO-PRO-1 作為供體，卟啉分子作為受體連接在 39 個堿基長的雙鏈 DNA 的中間位置，并嵌入脂質雙層，形成水油兩相體系，如圖5(e)所示。這種光捕獲天線，最大供體/受體比能夠達到20∶1，光吸收系數(shù)達到 260000 M—1·cm—1，與直接激發(fā)卟啉相比，光吸收能力增大了 31 倍，天線效應 AE 提高了 12 倍，充分說明這種體系強大的光捕獲能力以及高效的能量轉移。

3 展 望

DNA 通過嚴格的堿基互補配對規(guī)則，憑借其精確的納米級結構特征(雙螺旋直徑 2 nm，堿基對間的距離 0.34 nm)，以及可任意添加、剪裁，可定點修飾的獨特優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)光敏元件在納米水平高密度化、高精確化的組裝，為新一代的光電器件超越微型化的技術極限提供了有力保障。隨著 DNA 自組裝技術的發(fā)展，納米光電器件的組裝與設計越來越多樣化、復雜化、功能化。通過對 DNA 模板的巧妙設計，納米光電器件有望在分子水平得以控制和操作，應用于光化學反應。在未來的研究中，光穩(wěn)定性弱的有機染料有可能會被光性能優(yōu)越的納米材料、金屬復合物代替，或采用可編輯的蛋白質-DNA 混合結構使光敏分子排列更緊密[2,30]，以構建更加復雜的穩(wěn)定性更好的光電器件，滿足納米光電、太陽能轉換、醫(yī)學診斷等對新材料的更高要求。

[1] Meredith P, Bettinger CJ, Irimia-Vladu M, et al. Electronic and optoelectronic materials and devices inspired by nature [J]. Reports on Progress in Physics, 2013, 76(3): 034501. doi: 10.1088/0034-4885/76/3/034501.

[2] Pan K, Boulais E, Yang L, et al. Structure-based model for light-harvesting properties of nucleic acid nanostructures [J]. Nucleic Acids Research, 2014, 42(4): 2159-2170.

[3] Wang ZG, Song C, Ding BQ. Functional DNA nanostructures for photonic and biomedical applications [J]. Small, 2013, 9(13): 2210-2222.

[4] Lu CH, Cecconello A, Elbaz J, et al. A threestation DNA catenane rotary motor with controlled directionality [J]. Nano Letters, 2013, 13(5): 2303-2308.

[5] Su W, Bonnard V, Burley GA. DNA-templated photonic arrays and assemblies: design principles and future opportunities [J]. Chemistry-A European Journal, 2011, 17(29): 7982-7991.

[6] Albinsson B, Hannestad JK, Boerjesson K. Functionalized DNA nanostructures for light harvesting and charge separation [J]. Coordination Chemistry Reviews, 2012, 256(21-22): 2399-2413.

[7] Teo YN, Kool ET. DNA-multichromophore systems [J]. Chemical Reviews, 2012, 112(7): 4221-4245.

[8] Claussen JC, Hildebrandt N, Susumu K, et al. Complex logic functions implemented with quantum dot bionanophotonic circuits [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(6): 3771-3778.

[9] Nishimura T, Ogura Y, Tanida J. Fluorescence resonance energy transfer-based molecular logic circuit using a DNA scaffold [J]. Applied Physics Letters, 2012, 101(23): 233703. doi: 10.1063/1.4769812.

[10] Kienzler A, Flehr R, Kramer RA, et al. Novel threecolor FRET tool box for advanced protein and DNA analysis [J]. Bioconjugate Chemistry, 2011, 22(9): 1852-1863.

[11] Rothemund PWK. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns [J]. Nature, 2006, 440(7082): 297-302.

[12] Stein IH, Steinhauer C, Tinnefeld P. Singlemolecule four-color FRET visualizes energytransfer paths on DNA origami [J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(12): 4193-4195.

[13] Hannestad JK, Gerrard SR, Brown T, et al. Selfassembled DNA-based fluorescence waveguide with selectable output [J]. Small, 2011, 7(22): 3178-3185.

[14] Graugnard E, Kellis DL, Bui H, et al. DNA-controlled excitonic switches [J]. Nano Letters, 2012, 12(4): 2117-2122.

[15] Zhang N, Chu XZ, Fathalla M, et al. Photonic DNA-chromophore nanowire networks: harnessing multiple supramolecular assembly modes [J]. Langmuir, 2013, 29(34): 10796-10806.

[16] Dervan PB, Edelson BS. Recognition of the DNA minor groove by pyrrole-imidazole polyamides [J]. Current Opinion in Structural Biology, 2003, 13(3): 284-299.

[17] Blackledge MS, Melander C. Programmable DNA-binding small molecules [J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 2013, 21(20): 6101-6114.

[18] Su W, Schuster M, Bagshaw CR, et al. Sitespeci fi c assembly of DNA-based photonic wires by using programmable polyamides [J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2011, 50(12): 2712-2715.

[19] Su W, Bagshaw CR, Burley GA. Addressable andunidirectional energy transfer along a DNA threeway junction programmed by pyrrole-imidazole polyamides [J]. Scienti fi c Reports, 2013, 33: 1883. doi: 10.1038/srep01883.

[20] Medintz IL, Uyeda HT, Goldman ER, et al. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing [J]. Nature Materials, 2005, 4(6): 435-446.

[21] Boeneman K, Prasuhn DE, Blanco-Canosa JB, et al. Self-assembled quantum dot-sensitized multivalent DNA photonic wires [J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(51): 18177-18190.

[22] Spillmann CM, Ancona MG, Buckhout-White S, et al. Achieving effective terminal exciton delivery in quantum dot antenna-sensitized multistep DNA photonic wires [J]. ACS Nano, 2013, 7(8): 7101-7118.

[23] McDermott G, Prince SM, Freer AA, et al. Crystal structure of an integral membrane light-harvesting complex from photosynthetic bacteria [J]. Nature, 1995, 374(6522): 517-521.

[24] Dutta PK, Varghese R, Nangreave J, et al. DNA-directed artificial light-harvesting antenna [J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(31): 11985-11993.

[25] Garo F, H?ner R. A DNA-based light-harvesting antenna [J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2012, 51(4): 916-919.

[26] Probst M, Langenegger SM, H?ener R. A modular LHC built on the DNA three-way junction [J]. Chemical Communications, 2014, 50(2): 159-161.

[27] Benvin AL, Creeger Y, Fisher GW, et al. Fluorescent DNA nanotags: supramolecular fl uorescent labels based on intercalating dye arrays assembled on nanostructured DNA templates [J]. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(7): 2025-2034.

[28] Oezhalici-Uenal H, Armitage BA. Fluorescent DNA nanotags based on a self-assembled DNA tetrahedron [J]. ACS Nano, 2009, 3(2): 425-433.

[29] Woller JG, Hannestad JK, Albinsson B. Selfassembled nanoscale DNA-porphyrin complex for artificial light harvesting [J]. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(7): 2759-2768.

[30] King NP, Sheffler W, Sawaya MR, et al. Computational design of self-assembling protein nanomaterials with atomic level accuracy [J]. Science, 2012, 336(6085): 1171-1174.

Recent Progress in DNA-Based Assembly Photonic Arrays

WU Chunlei SU Wu
( Institute of Biomedicine and Biotechnology, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China )

The development of nano-optoelectronic devices is especially relevant to the control of the spatial arrangement of photoactive materials with nanoscale precision. Because of its base pairing and double-helix structure, as well as easy preparation, programmable control over their shape and size, and precise spatial addressability, DNA has been used as the template to organize a variety of nanoscale elements for nanophotonics and nanomedical research. The DNA-based photonic arrays are multiple fl uorophores programmed sequentially along DNA scaffold to achieve energy transfer through multi-step fl uorescence resonance energy transfer. In this review, the discussion focused on the progrsses of DNA-based assembly photonic arrays in recent years, and insights for future directions were provided.

DNA nanotechnology; photonic arrays; fl uorescence resonance energy transfer; pyrrole-imidazole polyamides; quantum dots; light-harvesting

TN 29

A

2014-06-23

武春雷，研究助理，研究方向為多肽合成及其在功能化納米材料中的應用；粟武(通訊作者)，研究員，研究方向為 DNA 特異性識別聚酰胺的合成及其在納米光電和生物醫(yī)學等領域中的應用，E-mail：wu.su@siat.ac.cn。