李圣凱 郝卿 彭天歡 陳卓? 譚蔚泓

1) (湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 分子科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)湖南省重點實驗室, 長沙 410082)

2) (湖南大學(xué)生物學(xué)院, 長沙 410082)

3) (湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 化學(xué)生物傳感與計量學(xué)國家重點實驗室, 長沙 410082)

4) (上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟醫(yī)院分子醫(yī)學(xué)研究院, 上海 200240)

5) (中國科學(xué)院腫瘤與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所, 中國科學(xué)院大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院, 杭州 310022)

1 引 言

原子及近原子尺度的制造(atomic and closeto-atomic scale manufacturing, ACSM)是通過直接操縱原子構(gòu)建具有特定功能的原子尺度結(jié)構(gòu), 并滿足規(guī)?；a(chǎn)要求的前沿制造技術(shù).ACSM 技術(shù)突破了當(dāng)前機械制造的技術(shù)瓶頸, 跨越了現(xiàn)有材料特性的限制, 對未來科技發(fā)展和高端元器件制造具有重大意義[1].原子制造最早起源于美國麻省理工學(xué)院Kastner 所提出的人造原子基本概念, 經(jīng)歷了元原子和超材料等一系列新理念的研究與發(fā)展,最終形成了以“原子制造”與“原子微系統(tǒng)”為中心的科學(xué)思想, 其基本理念體現(xiàn)在保持或利用微觀原子層級優(yōu)良物理特性的前提下, 從微觀的原子單元出發(fā), 實現(xiàn)原子層級優(yōu)良物理特性的開發(fā)與應(yīng)用,組裝與制造成為宏觀產(chǎn)品的過程[2].

近年來, ACSM 作為下一代制造技術(shù)的主要發(fā)展趨勢, 受到了科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注.許多國家相繼啟動了“原子制造”相關(guān)重大國家戰(zhàn)略性研究計劃, 旨在科技競爭中取得戰(zhàn)略性先機[1,2].雖然ACSM 技術(shù)正處于研究起步階段, 其廣泛的應(yīng)用前景及將帶來的技術(shù)性革命, 推動著這一領(lǐng)域的快速發(fā)展.從ACSM 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看, 原子制造技術(shù)主要包括以下三大類: 1) 基于高能粒子束的原子級去除或原子刻蝕; 2) 基于高分辨顯微鏡的單原子操縱技術(shù); 3) 基于化學(xué)方法的可控原子材料合成.從原子制造的概念及要求可知, 原子制造的核心在于實現(xiàn)原子在三維空間內(nèi)的可控排布.高能粒子束原子刻蝕技術(shù)具備規(guī)?；a(chǎn)的潛能,然而其精度有待進一步提高, 且制造成本較高.基于高分辨顯微鏡的原子操縱技術(shù)其精度可達單個原子級別, 然而較難實現(xiàn)規(guī)?；?基于化學(xué)方法的原子制造技術(shù)(金屬納米團簇的合成), 其合成均一性和可控性均有待進一步提高.因此, 開發(fā)新型制造技術(shù)是ACSM 領(lǐng)域的迫切需求.核酸作為自然界中最常見的原子級精密組裝體, 由于其結(jié)構(gòu)特征及核酸分子間特殊的相互作用模式, 使其從生命科學(xué)領(lǐng)域跨越至新型材料領(lǐng)域[3,4].DNA 納米技術(shù)的快速發(fā)展, 在材料可控組裝、合成領(lǐng)域體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢, 有望為ACSM 技術(shù)的發(fā)展提供全新的方法.

核酸是由許多核苷酸單體聚合形成的生物大分子化合物, 是生命遺傳物質(zhì)的主要載體.由磷酸骨架、核糖和含氮堿基三部分基本單元組成, 其電負性磷酸骨架及其雜環(huán)堿基上富含具有孤電子對的氮原子等性質(zhì), 使其成為金屬離子結(jié)合的天然靶標(biāo)[5,6].其次, 通過體外篩選技術(shù)獲得了一系列可結(jié)合金屬原子的功能核酸分子, 如金屬離子特異性核酸適體(aptamer)、脫氧核酶(DNAzyme)等, 并構(gòu)建了一系列基于核酸材料的分子器件, 包括金屬離子傳感器[7,8]、光響應(yīng)金屬納米簇探針[9?11]、金屬納米器件[12]、含金屬抗癌藥物等[13,14].此外, 非天然人工堿基的合成進一步拓展了核酸材料的功能, 含金屬非天然人工堿基的開發(fā)為核酸-金屬離子相互作用提供了一種全新的策略, 實現(xiàn)了金屬離子在核酸中更加精確的定位和組裝.

本綜述從核酸分子的基本結(jié)構(gòu)與功能出發(fā), 分析了核酸材料與金屬離子的作用機制; 隨后根據(jù)作用機制差異分類論述了核酸-金屬相互作用的原理和經(jīng)典實例, 包括核酸與金屬離子和金屬離子配合物相互作用、核酸介導(dǎo)的金屬納米簇的生長調(diào)控、含金屬人工堿基單體的開發(fā)與應(yīng)用等; 接下來詳細介紹了DNA 納米技術(shù)的發(fā)展及其在原子制造領(lǐng)域的優(yōu)勢與潛力; 最后總結(jié)了核酸材料在原子制造領(lǐng)域存在的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸, 并對其發(fā)展前景做了進一步展望.

2 核酸的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

2.1 核酸的基本結(jié)構(gòu)

核酸是一類生物大分子聚合物, 其基本結(jié)構(gòu)單元是由含氮堿基、五碳糖和磷酸基團組成的核苷酸, 天然含氮堿基包括腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)五種, 分子結(jié)構(gòu)式如圖1(a)所示.核酸的結(jié)構(gòu)通?？煞譃橐患壗Y(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu).核苷酸單體通過磷酸二酯鍵縮合形成寡聚核苷酸序列, 核苷酸在分子內(nèi)的排列順序, 即堿基的排列順序構(gòu)成了核酸分子的一級結(jié)構(gòu).1953 年美國科學(xué)家Watson 和Crick 共同提出了DNA 分子雙螺旋二級結(jié)構(gòu)模型, 其分子結(jié)構(gòu)具有如下特點[15,16]: 1) 雙鏈DNA 分子(dsDNA)由兩條脫氧核苷酸長鏈反向平行盤旋成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)(圖1(b)); 2) dsDNA 分子中脫氧核糖和磷酸交替連接排列在外側(cè), 堿基排列在內(nèi)側(cè);3) 嘌呤和嘧啶之間遵循Watson-Crick 堿基互補配對原則形成A-T 和G-C 兩種配對形式, 其中A 與T 以兩對氫鍵相連, 而G 與C 以三對氫鍵相連(圖1(c)).值得注意的是, 單鏈核酸分子也可通過分子內(nèi)部堿基間互補配對等相互作用形成莖、環(huán)等二級結(jié)構(gòu), 從而形成具有特定功能的“結(jié)構(gòu)域”.此外, DNA雙螺旋進一步扭曲盤繞可形成具有特定三維空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)象的三級結(jié)構(gòu).

圖1 (a) 5 種天然核酸堿基單體結(jié)構(gòu); (b) B-DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型; (c) 通過氫鍵相連的DNA 堿基互補配對形式Fig.1.(a) Structure of five natural nucleic acid bases; (b) structure model of B-DNA; (c) DNA base pairing through hydrogen bonds.

2.2 核酸與金屬離子相互作用的機制

在生理條件下, 核酸表現(xiàn)出聚陰離子性質(zhì), 其電負性磷酸骨架以及雜環(huán)堿基上的氮原子富含孤對電子等性質(zhì), 為金屬離子提供了天然的結(jié)合位點[4,5].如圖2 所示, 金屬離子一般采用下列兩種方式與DNA 作用[17,18]: 1) 金屬直接與磷酸基團、糖環(huán)的氧原子以及堿基雜環(huán)上的原子(N, C, O)作用; 2) 通過金屬配體的間接相互作用, 如通過金屬配體分子與堿基間的氫鍵作用、π-π 堆積作用和疏水相互作用等方式實現(xiàn)金屬離子與核酸的連接.X 射線晶體結(jié)構(gòu)解析結(jié)果顯示, 在核酸二級結(jié)構(gòu)中, 堿金屬或堿土金屬離子(Na+, K+, Mg2+等)通過與磷酸骨架上的氧原子結(jié)合, 中和磷酸骨架的強電負性質(zhì), 穩(wěn)定其二級、三級結(jié)構(gòu).糖環(huán)氧原子與金屬離子作用較弱, 但研究表明其仍具備與過渡金屬離子(Cu2+, Sn4+, Os4+等)螯合形成核酸-金屬離子復(fù)合物的能力.X 射線晶體衍射和NMR 實驗結(jié)果表明, 雜環(huán)堿基可提供多個含孤電子對的N,O 等金屬離子耦合位點, 且與金屬配體間存在氫鍵、π-π 堆積等多種作用力, 是金屬離子結(jié)合的最佳位點.研究結(jié)果顯示, 多種金屬離子及金屬離子配合物與雜環(huán)堿基的結(jié)合位點包括: 嘌呤堿基G和A 的N7 原子, G 堿基的O6 原子和A 堿基的N1原子, 嘧啶堿基T 和C 的O2和N3原子.值得注意的是, 不同堿基與金屬原子的結(jié)合位點及作用力不同, 且可通過以上位點協(xié)同作用加強與金屬離子的結(jié)合.此部分內(nèi)容在多篇綜述性論文中有詳細介紹[6,17,18], 在此不再贅述.

圖2 金屬離子與DNA 之間的兩種作用方式Fig.2.Two modes of interaction between metal ions and DNA.

3 核酸介導(dǎo)的原子制造

3.1 天然核酸介導(dǎo)的金屬原子組裝

金屬離子可以通過共價相互作用與DNA 分子中的特定堿基結(jié)合, 形成以金屬離子為媒介的穩(wěn)定堿基對結(jié)構(gòu)[19,20].2004 年, Ono 等[21]發(fā)現(xiàn)了核酸序列中的T-T 錯配堿基對能夠與Hg2+結(jié)合形成穩(wěn)定的T-Hg2+-T 配合物, 其他人利用上述性質(zhì)構(gòu)建了一系列基于核酸Hg2+的靈敏檢測分子探針[22?24].2008 年, Ono 等[25]報道了Ag+可以通過與C 堿基對中N3 位置相結(jié)合而形成C-Ag+-C 結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定雙螺旋DNA 中的C-C 堿基錯配.Zhao 等[26]和Yang[27]等利用此性質(zhì)并通過不同方法實現(xiàn)了Ag+的特異性檢測.圖3(a)展示了T-Hg2+-T 和C-Ag+-C 配對結(jié)構(gòu)示意圖.此外, DNA 還能夠與其他金屬離子發(fā)生共價相互作用, 例如DNA 與Cu2+結(jié)合形成的DNA 金屬酶可以催化不對稱合成, 其中DNA結(jié)構(gòu)為反應(yīng)的發(fā)生提供了合適的手性環(huán)境[28,29].

此外, 除金屬離子直接與核酸堿基相互作用,金屬離子還可通過陽離子金屬配合物與核酸分子間接結(jié)合.研究表明, 陽離子金屬配合物與DNA之間的共價相互作用是眾多金屬類抗癌藥物發(fā)揮作用的基礎(chǔ)[13].1969 年, 化學(xué)治療性金屬基藥物順鉑的發(fā)現(xiàn)是抗癌藥物中DNA-金屬相互作用的主要實例之一, 其通過共價結(jié)合的方式與DNA 上的G 堿基結(jié)合使得dsDNA 解旋并抑制隨后的轉(zhuǎn)錄等一系列過程, 最終誘導(dǎo)癌細胞的凋亡[30,31].順鉑能夠與DNA 結(jié)合形成多種加合產(chǎn)物, 其中最常見的類型是1, 2-鏈內(nèi)加合物, 如圖3(b)所示.其他一些中心原子為Pt, Ru, Ti, Os, Co, Ni, Cu 和Zn等金屬配合物藥物也被報道具有抗癌活性, 并展示出與順鉑類藥物類似抗癌原理[14,18,32,33].此外, 利用陽離子金屬配合物能夠通過凹槽締合或嵌入的方式與dsDNA 相結(jié)合這一特點, Ding 等[34]實現(xiàn)了含Pt 金屬配合物抗癌藥物的靶向遞送和癌癥治療(圖3(c)); Wang 等[35]和Li 等[36]構(gòu)建了基于Ru(II)配合物發(fā)光探針的電致化學(xué)發(fā)光生物傳感平臺.陽離子金屬配合物還能夠與具有特定空間構(gòu)型的DNA 相互作用, 其中最典型的是氯化血紅素(hemin)/G-四鏈體結(jié)構(gòu)[37,38].Hemin/G-四鏈體通常表現(xiàn)出辣根過氧化物酶(HRP)活性, 例如Wang等[39]利用hemin/G-四鏈體催化3, 3′, 5, 5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)氧化實現(xiàn)了K+的比色檢測; Huang等[40]通過hemin/G-四鏈體結(jié)構(gòu)催化H2O2還原產(chǎn)生電化學(xué)信號實現(xiàn)了胃癌相關(guān)外泌體的檢測.Golub等[41]發(fā)現(xiàn)hemin/G-四鏈體還具有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)氧化酶/過氧化物酶活性, 這一發(fā)現(xiàn)為NAD+的再生提供了一種生物型催化劑.

圖3 (a) T-Hg2+-T 和C-Ag+-C 結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 順鉑與DNA 相互作用形成的1, 2-鏈內(nèi)加合物[18]; (c) 用于鉑 藥物靶向遞送的納米抗體偶聯(lián)DNA 納米平臺示意圖[34]Fig.3.(a) Illustration of T-Hg2+-T and C-Ag+-C complexes induced fluorescence quenching; (b) 1, 2-intrastrand adducts formed between cisplatin and DNA[18]; (c) illustration of a nanobody-conjugated DNA nanoplatform for targeted platinum drug delivery[34].

3.2 天然核酸介導(dǎo)的金屬納米簇的合成與應(yīng)用

熒光金屬納米簇(metal nanoclusters, MNCs)具有尺寸小、穩(wěn)定性高和生物相容性好等優(yōu)勢, 在生物檢測和成像領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛.基于DNA序列中特定堿基雜環(huán)上的N, O 功能基團與金屬離子之間具有相互作用強, 且DNA 的堿基序列和長度可調(diào)、二級結(jié)構(gòu)多樣、生物相容性好, 使得DNA成為調(diào)控MNCs 生長有效模板之一[11,42].以DNA為模板調(diào)控MNCs 合成的基本步驟如下: 金屬離子首先與DNA 結(jié)合, 然后還原成核, 進一步生長, 最后在DNA 的保護下穩(wěn)定存在.2004 年, Petty 等[43]首次在磷酸鹽緩沖溶液中以12 個堿基的ssDNA為模板合而成了熒光AgNCs.隨后的研究表明C 堿基的N3 位置與Ag+之間具有較強親和力, 因而富C 堿基的ssDNA 序列通常被用作AgNCs 生長的模板[44,45].Gwinn 等[46]利用發(fā)夾DNA 制備得到了AgNCs, 他們發(fā)現(xiàn)Ag-NCs 的熒光強度與發(fā)夾環(huán)上DNA 堿基的種類相關(guān).Feng 等[47]以三鏈DNA(tsDNA)作為模板制備得到了熒光AgNCs,實驗表明AgNCs 的成核與tsDNA 的CGC 位點有關(guān).以上研究結(jié)果表明, 通過調(diào)控核酸分子的序列和二級結(jié)構(gòu)等參數(shù), 可實現(xiàn)金屬納米團簇的可控合成.結(jié)合原位DNA 介導(dǎo)的金屬納米團簇生長及功能核酸分子, Liu 等[48]和Liu 等[49]利用熒光DNA-AgNCs 作為信號探針分別構(gòu)建了microRNA和蛋白的痕量分析檢測平臺; Lyu 等[50]通過靜電吸附的方式在DNA-AgNCs 表面修飾陽離子聚電解以提高其熒光強度、穩(wěn)定性和細胞穿透能力, 從而實現(xiàn)了NIH/3 T3 細胞的快速熒光成像(圖4).Thomas[51]以含有30 個堿基的ssDNA 為模板合成了發(fā)射藍光的AuNCs, 研究結(jié)果表明, pH 以及HAuCl4和DNA 的濃度比會影響堿基與Au3+的結(jié)合, 從而通過改變以上參數(shù)可實現(xiàn)金屬納米團簇的可控制備.研究表明T 堿基的N3 位置與Cu2+之間的作用力較強, 因而可通過富T 堿基的核酸序列調(diào)控CuNCs 的制備[9,52,53].此外, 科研工作者還報道了G-四鏈體[54]和i-motif[55]結(jié)構(gòu)也可以作為MNCs 生長的模板, 調(diào)控金屬納米團簇的生長及其光學(xué)性質(zhì).值得關(guān)注的是, 通過DNA 模板成功合成了Cu/AgNCs[56]和Ag/PtNCs[57]等雙金屬納米簇, 解決了化學(xué)濕法合成多金屬納米團簇的技術(shù)難點.

3.3 功能核酸與金屬相互作用及應(yīng)用

圖4 制備不同DNA@Ag-NCs-陽離子聚電解質(zhì)復(fù)合物用于細胞成像以及NIH/3T3 細胞的共聚焦激光掃描顯微鏡成像圖[50]Fig.4.Preparation of different fluorescent DNA-AgNCscationic polyelectrolyte complexes for cell imaging and confocal laser scanning microscopy images of NIH/3T3 cells[50].

功能核酸是通過配體指數(shù)富集系統(tǒng)進化技術(shù)(systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX)篩選得到的具有靶向結(jié)合、催化等特定功能的單鏈寡核苷酸序列[58,59].自1990 年SELEX 技術(shù)首次報道以來, 通過體外篩選技術(shù)獲得了一系列可結(jié)合金屬離子的功能核酸分子, 主要包括金屬離子特異性核酸適體(aptamer)和脫氧核酶(DNAzyme)等, 并構(gòu)建了一系列基于功能核酸材料的分子器件, 在生物檢測、成像和癌癥治療等方面有著廣泛的應(yīng)用[60?63].

Aptamer 是通過SELEX 技術(shù)篩選得到能與靶標(biāo)分子特異性、高親和力結(jié)合的單鏈寡核苷酸序列[64?67].以金屬離子作為篩選靶標(biāo)可得到與特定金屬離子結(jié)合的aptamer 分子, aptamer 常通過折疊形成特定二級/三級結(jié)構(gòu)與靶標(biāo)分子特異性結(jié)合[68,69].研究表明, K+, Na+和Pb2+與aptamer 的作用機理均與G-四鏈體結(jié)構(gòu)有關(guān)[70]有關(guān).圖5(a)展示了由中心陽離子穩(wěn)定、以Hoogsteen 氫鍵結(jié)合4 個G 堿基和人端粒G-四鏈體DNA 的X 射線結(jié)構(gòu).1994 年, Williamson[71]發(fā)現(xiàn)G-四鏈體結(jié)構(gòu)在K+和Na+等陽離子存在時比較穩(wěn)定, 機理研究表明金屬離子與堿基上的氧原子配位結(jié)合, 從而發(fā)揮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用.后來特異性結(jié)合Pb2+的aptamer被開發(fā), 且基于此構(gòu)建了一系列Pb2+檢測的傳感平臺[69,72,73].

圖5 (a) 由中心陽離子穩(wěn)定的4 個G 堿基和人端粒G-四鏈體DNA 的X 射線結(jié)構(gòu)[18]; (b) 金屬離子依賴性DNAzyme的結(jié)構(gòu)示意圖[62]Fig.5.(a) Illustration of four guanine bases stabilized by a central cation and X-ray structure of human telomeric Gquadruplex DNA[18]; (b) illustration of metal ions dependent DNAzyme[62].

DNAzyme 是一種通過體外篩選技術(shù)得到的具有折疊成復(fù)雜二級結(jié)構(gòu)的ssDNA 序列, DNAzyme通過與金屬離子活性中心結(jié)合, 可催化特異性核酸切割/連接等反應(yīng), 包括RNA 或DNA 的裂解和連接以及DNA 磷酸化等[74,75].圖6(b)展示了金屬離子依賴性DNAzyme 的結(jié)構(gòu), 由一條到底物鏈和一條酶鏈組成.目前為止, Pb2+, Cu2+, Ag+, Zn2+,Mg2+, Ce3+, UO22+和Ln3+等金屬離子特異性識別的DNAzyme 相繼被篩選出來[62,63], 在金屬離子、核酸或者蛋白等的檢測以及細胞內(nèi)基因沉默和癌癥治療等方面[7,76?80]有著廣泛的應(yīng)用前景.

功能核酸分子的核心優(yōu)勢在于可特異性識別特定元素的金屬離子, 結(jié)合核酸分子序列的可設(shè)計性及核酸分子間的自組裝能力, 為單原子操縱及組裝提供了一種全新的分子工具.在單原子器件和多原子組裝等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛能.

圖6 (a) (Fc-TT)8 序列的合成步驟[86]; (b) Fc 人工堿基單體的合成步驟[91]Fig.6.(a) Synthesis procedure of (Fc-TT)8[86]; (b) synthesis procedure of Fc artificial base monomer[91].

3.4 人工堿基“分子元素”介導(dǎo)的原子制造

在過去的幾十年間, 化學(xué)家和合成生物學(xué)家們一直致力于人工核酸的開發(fā)與應(yīng)用[81,82].從核酸的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)出發(fā), 通過使用合適的替代物替換核酸聚合物五碳糖、磷酸骨架和堿基中的一個或多個基本單元, 可獲得具有區(qū)別于天然核酸的物理化學(xué)性質(zhì)的人工核酸分子[83,84].隨著核酸化學(xué)的不斷發(fā)展, 一系列有機合成的人工核酸相繼被報道, 其中金屬人工核酸作為金屬聚合物多元化領(lǐng)域的重要組成部分, 賦予了核酸材料新功能和新應(yīng)用, 引起了科研工作者廣泛的研究興趣[85].金屬人工核酸的制備方法主要有以下兩種[86?88]: 1) 不改變雜環(huán)堿基基本結(jié)構(gòu), 用金屬化合物來代替DNA 中的糖磷酸骨架; 2) 合成含金屬配體的亞磷酰胺單體,通過DNA 合成儀實現(xiàn)亞磷酰胺單體聚合形成寡核苷酸序列.

對于第一種策略, 最受關(guān)注的金屬配合物是具有良好電化學(xué)活性的二茂鐵(Fc), 其環(huán)戊二烯基環(huán)之間的間隙(3.3 ?)與B-DNA 中相鄰堿基對之間的間隙(3.4 ?)非常相似, 因而成為替代DNA中的糖磷酸骨架的最佳選擇[89,90].2012 年, James等[86]基于DNA 中兩個呋喃糖環(huán)被Fc 分子中兩個環(huán)戊二烯基單元取代, 通過一系列復(fù)雜的有機反應(yīng)將T 堿基標(biāo)記在Fc 單元上, 進一步形成亞磷酰胺單體后, 通過DNA 自動合成儀合成了包含8 個Fc 單元和16 個T 堿基的(Fc-TT)8序列(圖6(a)).合成的(Fc-TT)8序列易溶于磷酸鹽緩沖溶液并且約260 nm 處有吸收峰, 且Fc 的d-d 躍遷的存在使得約435 nm 處產(chǎn)生較弱的吸收峰.通過人工核酸分子的合成實現(xiàn)了Fe 原子的一維可控組裝, 研究人員雖未進一步探究該人工核酸分子間的雜交性質(zhì), 基于其類天然核酸的結(jié)構(gòu)及保留了T 堿基的氫鍵形成能力, 其有望進一步通過分子間雜交形成復(fù)雜的二維及三維原子結(jié)構(gòu).

區(qū)別于糖環(huán)結(jié)構(gòu)的替換, 湖南大學(xué)譚蔚泓院士課題組[91?95]率先提出了通過替換核苷酸分子中堿基基元形成一系列“分子元素”的基本概念.在這一基本概念的指導(dǎo)下, 合成了一系列基于金屬配體、藥物分子、疏水分子、刺激響應(yīng)分子的亞磷酰胺單體, 并通過DNA 合成儀實現(xiàn)了分子元素的可控組裝.2018 年, Abdullah 等[91]通過簡單的三步法成功合成了Fc 人工堿基單體(圖6(b)), 并首次實現(xiàn)了二茂鐵人工堿基“分子元素”的制備.基于Fc 分子一個電子轉(zhuǎn)移氧化還原的特性, 將Fc 人工堿基單體嵌入DNA 序列的不同位置, 通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)隨著互補堿基的不同, 電荷轉(zhuǎn)移速率明顯不同, 表明合成的Fc 人工堿基可以作為檢測任意靶序列中單個堿基的變化, 有望成為DNA 測序的有力工具.研究結(jié)果表明進一步研究發(fā)現(xiàn), 通過調(diào)控Fc人工堿基的數(shù)量, 可有效地調(diào)控其組裝性質(zhì).Tan等[96]將修飾了多個Fc 人工堿基DNA 序列自組裝成尺寸可控的DNA 膠束(ApFAs), 結(jié)果表明通過改變末端Fc 堿基的數(shù)量可實現(xiàn)組裝納米顆粒的尺寸, 且利用Fc 引發(fā)類芬頓反應(yīng)可實現(xiàn)納米材料的組裝與解組裝行為(圖7(a)), 充分展示了該策略在原子制造領(lǐng)域的有效性.Zhang 等[97]設(shè)計了嵌入有Fc 人工堿基的DNA 納米花結(jié)構(gòu)(DOX-Sgc8-NFs-Fc), 進一步構(gòu)建了從單原子到納米材料的制造策略(圖7(b)).

圖7 (a) 適體-Fen 兩親分子的示意圖以及在不同條件下的ApFAs 的TEM 圖像[96]; (b) DOX/Sgc8-NFs-Fc 的制備及其通過類芬頓反應(yīng)在癌細胞中的自降解過程[97]Fig.7.(a) Schematic of aptamer-Fen amphiphilic molecules and TEM images of ApFAs at different conditions[96]; (b) preparation of DOX/Sgc8-NFs-Fc and its autodegradation process in cancer cells through Fenton-like reaction[97].

4 核酸納米結(jié)構(gòu)在原子制造中的應(yīng)用

4.1 核酸納米結(jié)構(gòu)

自從1983 年美國紐約大學(xué)Seeman 教授[98]首次提出DNA 納米技術(shù)以來, 科研工作者不斷利用DNA 這種典型的原子級精準(zhǔn)自組裝體構(gòu)筑成特定的納米結(jié)[99?103].基于Waston-Crick 堿基互補配對原則高特異性、可預(yù)測性和高精確性, 通過“自下而上(bottom-up)”的自組裝策略, 可以精準(zhǔn)設(shè)計并合成具有不同形貌、尺寸的DNA 納米結(jié)構(gòu),人們設(shè)計和制備得到了大小和形狀各異的精美DNA 納米結(jié)構(gòu), 包括三棱柱[104,105]、四面體[106,107]、多面體[108,109]、水凝膠[110,111]、DNA tile[112,113]和DNA 折紙[114,115]等.2006 年, Rothemund[116]提出了DNA 折紙的概念, 由此發(fā)展起來的DNA 折紙技術(shù)引起了廣泛的研究興趣.將216 條30—40 堿基長度的ssDNA 訂書釘鏈與含有7249 個堿基的環(huán)形閉合長ssDNA 骨架鏈緊密有序地釘在一起形成了具有特定形貌的二維DNA 折紙(圖8(a)).2009 年, Douglas 等[114]通過在二維DNA 折紙平面之間建立連接, 使其層層堆疊形成三維DNA 折紙結(jié)構(gòu), 進一步拓展了DNA 納米結(jié)構(gòu)的維度.2016 年,Douglas 等[117]利用“自上而下(top-down)”策略構(gòu)建了三維多面體DNA 折紙(圖8(b)), 標(biāo)志著DNA 納米技術(shù)邁向了新的高度.DNA 折紙不僅具有形貌、尺寸可控的優(yōu)勢, 還能精確設(shè)計每個堿基的類型和位置, 使其具有納米(亞納米)級的空間可尋址能力.因此, 可以在DNA 折紙的特定位置上實現(xiàn)納米尺度精確定位的基團修飾, 使其成為單分子精準(zhǔn)定位、納米材料可控排布和生長的理想模板[118?123].

4.2 DNA 折紙介導(dǎo)的自組裝

調(diào)控納米顆粒的空間排布是納米技術(shù)領(lǐng)域長期以來存在的挑戰(zhàn)之一, 具有形貌、尺寸可控且空間尋址能力強的DNA 折紙為解決這一問題提供了新的工具.以DNA 折紙為模板的納米顆粒自組裝, 通常利用DNA 功能化的納米顆粒與DNA 折紙上特定區(qū)域的互補鏈進行雜交實現(xiàn)納米顆粒的可控排布.2010 年, Ding 等[120]首次利用三角形DNA 折紙作為模板, 使得不同粒徑的AuNPs 在折紙的其中一條邊上特定的位點進行有序的排布(圖9(a)), 由此開辟了基于DNA 納米技術(shù)實現(xiàn)金屬納米材料精確組裝的新天地.隨后, 一系列具有特殊結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)的金屬納米結(jié)構(gòu)相繼被報道[124,125].除了實現(xiàn)納米顆粒的精確空間排布以外,科研工作者還利用DNA 折紙實現(xiàn)了生物蛋白分子、單分子熒光染料等的精確組裝[126,127].Fu 等[128]將葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根過氧化物酶(HRP)精確定位在DNA 折紙的不同位置, 通過對蛋白分子間的距離的精細調(diào)控, 研究了距離對著兩種酶協(xié)同催化效果的影響(圖9(b)).Zhan 等[119]使用基于DNA 折紙的自下而上組裝策略成功構(gòu)建了等離子領(lǐng)結(jié)納米結(jié)構(gòu), 進而將單個拉曼報告分子限域在領(lǐng)結(jié)的間隙處, 實現(xiàn)了單個納米結(jié)構(gòu)中單分子表面增強拉曼散射分析(圖10(a)).Liu 等[129]報告了一種“Action-PAINT”策略, 利用DNA-PAINT 實時監(jiān)控和定位DNA 結(jié)合事件, 通過光交聯(lián)以固定分子信標(biāo)進行特定位置的可視化, 實現(xiàn)了在單個分子上進行可視化時進行超分辨率標(biāo)記(圖10(b)).

圖8 (a) 二維DNA 折紙[116]; (b) 三維多面體DNA 折紙[117]Fig.8.(a) 2D DNA origami[116]; (b) 3D polyhedral DNA origami[117].

圖9 (a) 利用三角折紙對不同大小AuNPs 進行空間排布[120]; (b) DNA 折紙介導(dǎo)的GOx 和HRP 的距離可控共組裝[128]Fig.9.(a) 2D arrangement of Au NPs using triangle DNA origami[120]; (b) DNA nanostructure-directed coassembly of GOx and HRP enzymes with control over interenzyme distances[128].

圖10 (a) 基于DNA 折紙的金領(lǐng)結(jié)納米結(jié)構(gòu)用于單分子表面增強拉曼散射分析[119]; (b) 用“Action-PAINT”實現(xiàn)單分策略的多點超分辨圖案[129]Fig.10.(a) Gold bowtie nanostructures based on DNA origami for single-molecule surface-enhanced Raman scattering analysis[119];(b) multipoint super-resolution patterning using “Action-PAINT” strategy[129].

圖11 (a) 使用DNA 縮合和固有的金屬化圖案模擬納米印刷電路板[122]; (b)利用不同DNA 折紙為模板生長SiO2[123]Fig.11.(a) Fabricating nano-printed circuit boards mimics with DNA condensation and intrinsic metallization patterning[122];(b) growth of SiO2 with different morphology by various DNA origami[123].

4.3 DNA 折紙介導(dǎo)納米材料的合成

基于核酸材料與金屬離子強相互作用, 核酸分子材料作為模板與金屬離子前體結(jié)合后, 通過合適的還原劑原位還原金屬離子前體, 形成特定形狀的金屬納米結(jié)構(gòu)[11,42].Braun 等[130]利用充分利用具識別能力和機械性能的DNA 模板橋連兩個金電極, 然后沿著DNA 分子搭建的模板方向使Ag 進行矢向沉積, 從而制備得到僅沿DNA 骨架方向沉積的長12 μm、寬100 nm 的Ag 納米導(dǎo)線, 這一創(chuàng)新性工作標(biāo)志著DNA 模板為金屬納米材料的精確組裝指明了新的方向.除簡單的DNA 以外, DNA納米結(jié)構(gòu)的發(fā)展為金屬化提供了結(jié)構(gòu)多樣的模板.2011 年, Liu 等[131]實現(xiàn)了DNA 折紙表面的金屬化, 以Y 型DNA 折紙為生長模板, 通過選擇性表面生長金屬Ag 種子, 然后在Ag 種子上生長AuNPs.同年, 他們報道了一種基于Pd 種子的快速DNA折紙金屬化的新方法, 減少了金屬化過程的時間且增加金屬化顆粒的密度[132].隨后, 他們在組裝有Pd 種子的環(huán)形DNA 折紙上進行了Au 和Cu 的金屬化, 首次實現(xiàn)了DNA 折紙模板上制造導(dǎo)電銅納米結(jié)構(gòu)[133].為進一步提高DNA 折紙上金屬化位點的可控性, Pilo-Pais 等[134]通過延長訂書釘鏈并利用堿基互補配對將成核種子偶聯(lián)在DNA 折紙骨架上, 再進行成核生長也可以在DNA 折紙上實現(xiàn)精準(zhǔn)的定位金屬化, 制備了不同圖案的AuNPs結(jié)構(gòu).Jia 等[122]開發(fā)了一種基于DNA 折紙的高度局部化金屬化反應(yīng)策略, 實現(xiàn)了在全DNA 基底上對字母、數(shù)字和幾何形狀進行自由樣式的金屬繪畫, 并模擬制造了單層和雙層納米級印刷電路板,進一步提高了以DNA 折紙為模板的金屬化的精準(zhǔn)度和可控性, 為納米電子和納米光子應(yīng)用指明了新的方向(圖11(a)).2014 年, Helm 等[135]和Sun等[136]幾乎同時提出了DNA 模具法, 在三維尺度上實現(xiàn)了基于DNA 折紙的金屬限域生長.他們設(shè)計了具有不同形狀的DNA 空腔折紙作為模板, 通過還原金屬離子制備得到立方體、三角片和圓片等不同形貌的金屬納米顆粒.除常見金屬離子, Fan等[123]利用DNA 折紙誘導(dǎo)的團簇預(yù)水解策略在納米尺度上將DNA 序列編碼的自組裝結(jié)構(gòu)復(fù)制成具有剛性結(jié)構(gòu)的精確二氧化硅構(gòu)型(圖11(b)).這一工作不僅突破了傳統(tǒng)硅化學(xué)合成在結(jié)構(gòu)尺度上的限制, 實現(xiàn)了納米尺度的精確二氧化硅結(jié)構(gòu)的制備; 而且賦予基于DNA 的固態(tài)納米孔在保持精確結(jié)構(gòu)的同時還具備了更好的力學(xué)性能, 進一步拓展了基于核酸材料的原子制造的適用領(lǐng)域.

5 總結(jié)與展望

原子制造技術(shù)的發(fā)展正處于起步階段, 科研工作者不遺余力地尋求新的突破將ACSM 技術(shù)推向新的高度.核酸作為自然界中最常見的原子級精密組裝體, 由于其結(jié)構(gòu)特征以及可以作為金屬原子結(jié)合天然靶標(biāo)的本質(zhì), 隨著DNA 納米技術(shù)的快速發(fā)展, 在精準(zhǔn)原子制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力.本綜述從核酸分子的基本結(jié)構(gòu)與功能出發(fā), 闡明了核酸材料與金屬離子的作用機制, 介紹了核酸與金屬離子及其配合物相互作用、核酸介導(dǎo)的金屬納米簇的生長調(diào)控和含金屬人工堿基“分子元素”的開發(fā)與應(yīng)用等方面的經(jīng)典實例, 最后回顧了DNA 納米技術(shù)的發(fā)展及其在原子制造領(lǐng)域的優(yōu)勢與潛力.利用DNA 納米技術(shù)進行原子制造的研究屬于仿生制造的范疇, 目前限制這一領(lǐng)域的發(fā)展主要瓶頸在于制造成本高難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn).隨著DNA 體外合成技術(shù)的日益成熟, 目前已經(jīng)可以實現(xiàn)大規(guī)模合成且其成本在不斷降低.我們期待充分利用核酸-金屬相互作用的本質(zhì)以及DNA 納米技術(shù)的優(yōu)勢, 將金屬精確組裝到核酸納米結(jié)構(gòu)中, 制造出可以保持金屬在原子尺度上保持獨特性質(zhì)的宏觀產(chǎn)品, 以實現(xiàn)納米級光學(xué)、電磁學(xué)和精準(zhǔn)醫(yī)療等方面的應(yīng)用.