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樊春海、顏顥團(tuán)隊Nature：用戶自定義的DNA-二氧化硅復(fù)合材料

2018-07-27 11:27:00 作者：本網(wǎng)整理來源： X-MOL 分享至：

人們通常認(rèn)為遺傳信息存儲在DNA的一維序列中。然而，近年來隨著三維基因組領(lǐng)域的發(fā)展，研究者已經(jīng)越來越多地認(rèn)識到生物體內(nèi)很多基因調(diào)控信息是以特定形式存儲在核酸的高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。與之相應(yīng)的，DNA納米技術(shù)的興起為通過DNA序列編碼在體外合成與發(fā)展人工DNA納米結(jié)構(gòu)提供了新的可能。尤其是隨著以“DNA折紙術(shù)（DNA origami）”為代表的一系列DNA自組裝技術(shù)的發(fā)展，研究者已經(jīng)可以在溶液中合成出結(jié)構(gòu)精細(xì)、形狀各異的復(fù)雜DNA納米結(jié)構(gòu)，包括各種納米孔道結(jié)構(gòu)。

以蛋白質(zhì)離子通道為代表的生物孔道結(jié)構(gòu)在生物體內(nèi)的傳質(zhì)、換能和信號傳導(dǎo)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。近年來，仿生納米孔道結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)建已成為一個研究熱點，并且為生命分析、合成化學(xué)和限域催化等提供了新的可能。然而，如何構(gòu)建穩(wěn)定可靠的納米孔道結(jié)構(gòu)始終是一個挑戰(zhàn)性問題。例如，經(jīng)典的蛋白質(zhì)納米孔結(jié)構(gòu)精確，然而其可控性和穩(wěn)定性限制了它的廣泛應(yīng)用；通過電子束刻蝕固態(tài)納米孔道則面臨著成本高、重復(fù)性差、通量低等問題。采用DNA納米技術(shù)來合成納米孔道結(jié)構(gòu)則具有可編程設(shè)計、成本低廉、通量高等優(yōu)點。然而，DNA孔道結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性則又成為其廣泛應(yīng)用的障礙。如何在維持DNA結(jié)構(gòu)精確性的前提下提升其強(qiáng)度亦已成為DNA結(jié)構(gòu)納米技術(shù)領(lǐng)域的一個巨大挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所樊春海（Chunhai Fan）課題組與亞利桑那州立大學(xué)顏顥（Hao Yan）課題組近期發(fā)展了一種新方法，可以在保持DNA納米結(jié)構(gòu)精巧設(shè)計的前提下，提升其力學(xué)性能的方法。海洋單細(xì)胞生物硅藻的精巧二氧化硅外殼結(jié)構(gòu)為研究人員提供了思路。在自然界中，各種復(fù)雜骨骼結(jié)構(gòu)多是由蛋白框架誘導(dǎo)無機(jī)礦物生成。在該工作中，他們提出框架核酸誘導(dǎo)二氧化硅沉積的團(tuán)簇預(yù)水解策略（OMPC），將經(jīng)典St?ber硅化學(xué)引入DNA結(jié)構(gòu)體系，通過二氧化硅仿生礦化方法，成功實現(xiàn)了精確可控的DNA-二氧化硅復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)制備。相關(guān)論文于2018年7月16日在線發(fā)表于Nature，劉小果（Xiaoguo Liu）博士、張菲（Fei Zhang）博士和博士研究生靖薪薪（Xinxin Jing）為該文共同第一作者。

DNA框架誘導(dǎo)團(tuán)簇預(yù)水解策略與對應(yīng)的分子動力學(xué)模擬驗證。圖片來源：Nature

生物礦化領(lǐng)域在納米尺度精確控制礦物形貌上面臨很大的挑戰(zhàn)。早期研究工作主要利用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法配合DNA納米結(jié)構(gòu)來完成二維平面結(jié)構(gòu)的制備。但是，CVD技術(shù)中二維DNA納米結(jié)構(gòu)不可避免的會脫水、形變，三維DNA納米結(jié)構(gòu)則更難維持其原本設(shè)計。而相比之下，基于溶液體系的二氧化硅仿生礦化方法可以最大程度的保持各種DNA納米結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計。該方法還可以由二維平面結(jié)構(gòu)拓展至三維框架、三維曲面結(jié)構(gòu)、簡單幾何結(jié)構(gòu)以至復(fù)雜有序結(jié)構(gòu)等等。從而，一方面突破了傳統(tǒng)硅化學(xué)合成在材料結(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；另一方面還能顯著提高這種框架核酸的力學(xué)強(qiáng)度，使基于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。

二氧化硅仿生礦化精度驗證。圖片來源：Nature

研究表明，這種框架誘導(dǎo)的團(tuán)簇預(yù)水解策略可以在納米尺度上忠實地將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。分子動力學(xué)模擬證明，當(dāng)溶液中存在的陽離子硅烷（TMAPS）與作為硅源的正硅酸乙酯（TEOS）預(yù)水解，形成帶有三個正電荷以上的分子團(tuán)簇時，就能使框架核酸表面沉積上二氧化硅。通過優(yōu)化實驗參數(shù)，則可以很好控制DNA-二氧化硅結(jié)構(gòu)的厚度和粗糙度。

普適性驗證。簡單二維幾何結(jié)構(gòu)、層級二維幾何結(jié)構(gòu)、三維框架、曲面三維結(jié)構(gòu)到二維陣列。圖片來源：Nature

為了驗證該策略的普適性，他們將這一反應(yīng)體系用于各種人工設(shè)計的自組裝核酸結(jié)構(gòu)，均獲得了精度可達(dá)2納米的DNA-二氧化硅結(jié)構(gòu)。特別的，他們合成了一種仿硅藻外殼結(jié)構(gòu)。這種由框架核酸誘導(dǎo)產(chǎn)生的仿硅藻結(jié)構(gòu)具有多級納米孔，最小孔徑可達(dá)2.7納米，其外周則為棱長約為50納米的高級六方孔結(jié)構(gòu)。

材料納米力學(xué)性能研究。圖片來源：Nature

值得指出的是，電子束刻蝕很難制備出如此微小且具有多級特征的的固態(tài)納米孔。而且，進(jìn)一步的納米力學(xué)性能研究還表明，這種DNA-二氧化硅復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度要比純DNA結(jié)構(gòu)提升一個數(shù)量級，即可達(dá)1 GPa。這種框架核酸誘導(dǎo)的納米孔道結(jié)構(gòu)不僅精確、可控、穩(wěn)定，而且能大批量制造。以1 nM濃度的框架核酸計算，100微升溶液即可制備出1010個具有復(fù)雜納米孔道結(jié)構(gòu)的單元。這就為基于納米孔道的生命分析化學(xué)提供了全新的工具。目前，納米孔道結(jié)構(gòu)已在納流控、核酸測序、單分子檢測等方面發(fā)揮了重要的作用。因此，可以預(yù)期，這種本身具有的精確性和多元特異性框架核酸必將為研究納米孔道中的新奇物理、化學(xué)性質(zhì)和分析應(yīng)用提供廣闊的前景。

這項工作還被Nature Podcast選為當(dāng)期研究亮點，以“Tougher DNA nanostructure”為題報道。這項研究展示了DNA結(jié)構(gòu)納米技術(shù)與無機(jī)材料結(jié)合的可能性，將會衍生出跟多新的化學(xué)與材料課題，例如基于該結(jié)構(gòu)的納米光電子學(xué)器件、納流控、核酸測序、單分子檢測等。