DNA纳米技术由于在纳米尺度的精准可控已经成为自组装领域的一项重要的技术手段。基于DNA纳米技术制备的DNA纳米结构，例如比较有代表性的DNA纳米管，在纳米材料组装制备、纳米反应器、生物传感、药物控释等领域都展示了重要的应用前景。尽管目前利用DNA Origami，DNA brick，DNA tile等设计策略都可以实现DNA纳米管的制备，但是如何基于设计来预测并精确控制纳米管的卷曲以及管直径和周长等关键尺寸是一项重要的挑战；此外，从实际应用中需要节约成本的角度出发，如何根据需求用简单通用的方法来设计一套DNA序列同时实现一系列不同直径周长的纳米管的制备，仍亟待解决。近日，材料学院张瑛洧副教授与美国Emory大学Ke yonggang教授合作，提出了一种简单通用的“错位连接”设计策略，可从一套DNA核心结构出发，通过“错位”连接的程序化设计，实现一系列不同直径周长的DNA纳米管的可控组装。
考虑到DNA brick体系具有brick链段模块化的特点以及在构建DNA纳米结构方面具有尺寸无限拓展的优势，因此，考虑选择DNA brick体系来进行研究。结构设计是引导组装的决定性因素，因此从结构设计的角度出发，将一种“错位连接”设计策略引入到DNA brick纳米管的设计体系中。首先设计一种具有19×4 tiles的二维DNA brick纳米结构模型，DNA二维结构的两侧边缘对应位置的序列互补杂交可以卷曲成管，管周长为4-helix。在此基础上，二维DNA结构的核心区域保持不变，设计两侧边缘对应位置的DNA链段依次 “错位连接”，由于错位的驱动，导致原本的二维19×4 tiles DNA结构无法通过互补杂交卷曲成管，因而会继续沿二维方向生长，不断重复19×4 tiles的结构，直到重复n个循环后“错位连接”可以被补偿，此时，“错位”被补偿后的二维结构边缘对应位置的DNA链段刚好可以互补杂交卷曲成管，得到的纳米管周长为n×4 helix。在实际实验中，整个体系显示了对于轻微错位（例如1 tile，21 bp长）的容忍，可通过一定程度的扭曲来补偿和平衡（< 24°的扭曲角），通过将“错位连接”的设计同扭曲角和错位容忍值相结合，可以设计预测最终DNA纳米管的实际组装情况。再通过程序化设计调节一系列不同的“错位连接”，可以基于一套核心DNA二维结构设计，得到不同周长和直径的纳米管，例如结合另一模型体系19×14 tiles，经实验证实当前的两种模型体系可以实现从4-helix到8、12、14、16、20、24、28、32、36、42、56、70-helix的不同周长DNA纳米管的组装制备。基于这种特殊的“错位连接”设计策略，不仅可实现不同直径和周长的DNA纳米管的程序化设计，并且设计的复杂性及合成制备的成本都大大降低，对于后续基于DNA纳米管为模版的纳米材料组装和纳米器件制备都有重要的指导意义。该工作近期发表在 J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19529−19532. 北京化工大学为第一完成单位，本研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。
图2 通过“错位连接”的设计策略来程序化调控具有一系列不同周长的DNA纳米管的组装制备。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b08921
