基于DNA功能納米結構的生物傳感及分子邏輯電路研究.pdf

1、DNA的結構具有多樣性，除了廣為人知的雙螺旋結構，科學家們通過體內發(fā)現(xiàn)和體外篩選獲得了更為多樣的DNA結構類型，如三鏈DNA、DNA十字叉結構、G-四鏈體結構、i-motif四鏈結構以及各種脫氧核酶、DNA適配體等特有的三維立體結構。這些特殊的結構具有一定的功能，例如，脫氧核酶和DNA適配體的特殊序列，通過分子內的氫鍵、堿基堆疊作用、靜電相互作用以及金屬離子配位作用等，形成特定空間結構而表現(xiàn)出催化活性或者識別能力。除了這些體內發(fā)現(xiàn)和體外

2、篩選獲得的功能DNA納米結構，還可以利用結構DNA納米技術使DNA通過堿基互補配對自組裝成具有可控形狀和尺寸的DNA納米結構。這些自然界存在的以及人工創(chuàng)造的DNA結構，為構建具有廣闊應用前景的基于DNA的納米器件提供了基礎。一方面，利用這些功能DNA納米結構的構象轉換，可發(fā)展新傳感原理，用于金屬離子、小分子、生物大分子、病毒和細胞等一系列目標物的分析檢測;另一方面，各種自組裝DNA納米結構也為基于DNA的智能納米器件的構建提供了全新的平

3、臺。
　　基于以上兩個方面的考慮，我們利用DNA發(fā)夾結構、G-四鏈體結構、DNA雜交體等功能DNA納米結構的獨特性質，發(fā)展免標記比色生化分析方法，用于檢測單堿基錯配以及與核酸新陳代謝相關的酶。更進一步，我們利用結構DNA納米技術構建結構可控的DNA納米結構，并將其作為分子計算模塊，用于分子邏輯電路的設計，為構建基于DNA的智能納米器件提供基礎。圍繞著這些目標，我們主要開展了以下研究工作:
　　(1)開發(fā)了一種基于G-四鏈體-

4、氯化血紅素DNA酶的酶活性分析法(DNA酶-based enzyme activity assay(DEAA))，該方法可作為一種通用型方法，用于比色分析多種與DNA新陳代謝相關的酶的活性。在DEAA中，我們用到了DNA發(fā)夾結構和G-四鏈體結構等簡單的DNA納米結構，并且，我們設計了自組裝DNA納米機器，使其體外等溫擴增能形成G-四鏈體結構的序列，用于放大檢測信號，提高檢測靈敏度。DEAA是一種低成本、可視化、多目標、具有普適性的檢測與

5、DNA新陳代謝相關的酶的活性的分析技術，而且，該技術還能擴展用于酶的抑制劑的篩選以及單堿基錯配的比色分析。這個研究工作展示了簡單的功能DNA納米結構在生化分析中的應用潛力。
　　(2)結構DNA納米技術為構建結構復雜精細的三維DNA納米結構提供了途徑，然而，已有的組裝三維DNA納米結構的方法大都復雜且需要較多種類的DNA鏈，針對這些問題，我們利用DNA納米結構的幾何對稱性，在充分保留三維DNA納米結構的可尋址性的前提下，以極少種類

6、的DNA鏈模塊化地組裝三維DNA納米結構，極大地減小了組裝三維DNA納米結構的成本。作為例證，我們以7條不同的DNA鏈組裝了具有良好可尋址性的DNA納米三棱柱。該DNA納米三棱柱為正三棱柱，其上下底面是邊長約為7.14 nm的等邊三角形，棱柱的高度約為3.40 nm，三棱柱內部空腔體積約為75 nm3。我們使用聚丙烯酰胺凝膠電泳技術和熒光共振能量轉移技術表征了DNA納米三棱柱的自組裝。我們考察了DNA納米三棱柱結構的熱穩(wěn)定性。DNA納米

7、三棱柱的熔解溫度曲線顯示，該DNA納米三棱柱在43℃時開始解構，表明棱柱在室溫或者生理溫度下能很好地保持其結構的穩(wěn)定性。另外，我們還考察了棱柱在人血清中的穩(wěn)定性。在37℃，10％(v/v)的人血清中，棱柱能保持其結構的完整性約6.0h，表明該DNA納米三棱柱有望應用于復雜生物體系中。
　　(3)在上述研究結果的基礎上，我們將DNA納米三棱柱作為一個通用型的分子計算模塊，構建分子邏輯門。我們采用集成設計策略，將DNA三棱柱的不同部分

8、作為邏輯器件的不同功能元件。這種集成設計策略，使DNA納米棱柱成為一個通用型的平臺能構建多種分子邏輯門，如二進制基本邏輯門（“或”門、“與”門、“抑制”門、“異或”門），組合邏輯門（“抑制-或”門），多值邏輯門（三進制“抑制”門）。而且，僅使用這一個DNA納米棱柱和四條單鏈DNA我們便成功構建了一個DNA計算體系，可區(qū)分自然數(shù)中的奇數(shù)和偶數(shù)。此外，我們還證明了該刺激響應型的DNA納米棱柱能在含有人血清的復雜生物基質中穩(wěn)健地執(zhí)行邏輯操作。

9、
　　(4)最后，我們將自組裝DNA納米結構與氧化石墨烯結合，構建新型的DNA納米結構復合材料，并將其作為一個通用型的平臺用于分子邏輯電路的設計。我們利用DNA納米技術組裝了一個DNA納米三腳架(DNA nanotripod)，并將其作為支架在納米尺度上調控其負載的熒光小分子與氧化石墨烯的相互作用，實現(xiàn)了一個三輸入的majority邏輯門。該majority邏輯門可在“或”邏輯門和“與”邏輯門之間切換，使其成為一個多功能的模塊，也