核酸-金屬復合物及其在原子制造領域的應用*

李圣凱 郝卿 彭天歡 陳卓? 譚蔚泓

1) (湖南大學化學化工學院, 分子科學與生物醫學湖南省重點實驗室, 長沙 410082)

2) (湖南大學生物學院, 長沙 410082)

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

4) (上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院分子醫學研究院, 上海 200240)

5) (中國科學院腫瘤與基礎醫學研究所, 中國科學院大學附屬腫瘤醫院, 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建具有特定功能的原子尺度結構, 并滿足規?；a要求的前沿制造技術.ACSM 技術突破了當前機械制造的技術瓶頸, 跨越了現有材料特性的限制, 對未來科技發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院Kastner 所提出的人造原子基本概念, 經歷了元原子和超材料等一系列新理念的研究與發展,最終形成了以“原子制造”與“原子微系統”為中心的科學思想, 其基本理念體現在保持或利用微觀原子層級優良物理特性的前提下, 從微觀的原子單元出發, 實現原子層級優良物理特性的開發與應用,組裝與制造成為宏觀產品的過程[2].

近年來, ACSM 作為下一代制造技術的主要發展趨勢, 受到了科學界與產業界的廣泛關注.許多國家相繼啟動了“原子制造”相關重大國家戰略性研究計劃, 旨在科技競爭中取得戰略性先機[1,2].雖然ACSM 技術正處于研究起步階段, 其廣泛的應用前景及將帶來的技術性革命, 推動著這一領域的快速發展.從ACSM 技術發展現狀來看, 原子制造技術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; 3) 基于化學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原子在三維空間內的可控排布.高能粒子束原子刻蝕技術具備規?；a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其精度可達單個原子級別, 然而較難實現規模化.基于化學方法的原子制造技術(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, 開發新型制造技術是ACSM 領域的迫切需求.核酸作為自然界中最常見的原子級精密組裝體, 由于其結構特征及核酸分子間特殊的相互作用模式, 使其從生命科學領域跨越至新型材料領域[3,4].DNA 納米技術的快速發展, 在材料可控組裝、合成領域體現出巨大優勢, 有望為ACSM 技術的發展提供全新的方法.

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堿基上富含具有孤電子對的氮原子等性質, 使其成為金屬離子結合的天然靶標[5,6].其次, 通過體外篩選技術獲得了一系列可結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為核酸-金屬離子相互作用提供了一種全新的策略, 實現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構與功能出發, 分析了核酸材料與金屬離子的作用機制; 隨后根據作用機制差異分類論述了核酸-金屬相互作用的原理和經典實例, 包括核酸與金屬離子和金屬離子配合物相互作用、核酸介導的金屬納米簇的生長調控、含金屬人工堿基單體的開發與應用等; 接下來詳細介紹了DNA 納米技術的發展及其在原子制造領域的優勢與潛力; 最后總結了核酸材料在原子制造領域存在的關鍵技術瓶頸, 并對其發展前景做了進一步展望.

2 核酸的基本結構和性質

2.1 核酸的基本結構

核酸是一類生物大分子聚合物, 其基本結構單元是由含氮堿基、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, 分子結構式如圖1(a)所示.核酸的結構通?？煞譃橐患壗Y構、二級結構和三級結構.核苷酸單體通過磷酸二酯鍵縮合形成寡聚核苷酸序列, 核苷酸在分子內的排列順序, 即堿基的排列順序構成了核酸分子的一級結構.1953 年美國科學家Watson 和Crick 共同提出了DNA 分子雙螺旋二級結構模型, 其分子結構具有如下特點[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定的雙螺旋結構(圖1(b)); 2) dsDNA 分子中脫氧核糖和磷酸交替連接排列在外側, 堿基排列在內側;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部堿基間互補配對等相互作用形成莖、環等二級結構, 從而形成具有特定功能的“結構域”.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構、構象的三級結構.

圖1 (a) 5 種天然核酸堿基單體結構; (b) B-DNA 雙螺旋結構模型; (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, 核酸表現出聚陰離子性質, 其電負性磷酸骨架以及雜環堿基上的氮原子富含孤對電子等性質, 為金屬離子提供了天然的結合位點[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、糖環的氧原子以及堿基雜環上的原子(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金屬離子與核酸的連接.X 射線晶體結構解析結果顯示, 在核酸二級結構中, 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合, 中和磷酸骨架的強電負性質, 穩定其二級、三級結構.糖環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-金屬離子復合物的能力.X 射線晶體衍射和NMR 實驗結果表明, 雜環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, 是金屬離子結合的最佳位點.研究結果顯示, 多種金屬離子及金屬離子配合物與雜環堿基的結合位點包括: 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合位點及作用力不同, 且可通過以上位點協同作用加強與金屬離子的結合.此部分內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 核酸介導的原子制造

3.1 天然核酸介導的金屬原子組裝

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合, 形成以金屬離子為媒介的穩定堿基對結構[19,20].2004 年, Ono 等[21]發現了核酸序列中的T-T 錯配堿基對能夠與Hg2+結合形成穩定的T-Hg2+-T 配合物, 其他人利用上述性質構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 位置相結合而形成C-Ag+-C 結構以穩定雙螺旋DNA 中的C-C 堿基錯配.Zhao 等[26]和Yang[27]等利用此性質并通過不同方法實現了Ag+的特異性檢測.圖3(a)展示了T-Hg2+-T 和C-Ag+-C 配對結構示意圖.此外, DNA 還能夠與其他金屬離子發生共價相互作用, 例如DNA 與Cu2+結合形成的DNA 金屬酶可以催化不對稱合成, 其中DNA結構為反應的發生提供了合適的手性環境[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揮作用的基礎[13].1969 年, 化學治療性金屬基藥物順鉑的發現是抗癌藥物中DNA-金屬相互作用的主要實例之一, 其通過共價結合的方式與DNA 上的G 堿基結合使得dsDNA 解旋并抑制隨后的轉錄等一系列過程, 最終誘導癌細胞的凋亡[30,31].順鉑能夠與DNA 結合形成多種加合產物, 其中最常見的類型是1, 2-鏈內加合物, 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 相結合這一特點, Ding 等[34]實現了含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]構建了基于Ru(II)配合物發光探針的電致化學發光生物傳感平臺.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-四鏈體結構[37,38].Hemin/G-四鏈體通常表現出辣根過氧化物酶(HRP)活性, 例如Wang等[39]利用hemin/G-四鏈體催化3, 3′, 5, 5′-四甲基聯苯胺(TMB)氧化實現了K+的比色檢測; Huang等[40]通過hemin/G-四鏈體結構催化H2O2還原產生電化學信號實現了胃癌相關外泌體的檢測.Golub等[41]發現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, 這一發現為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 結構示意圖; (b) 順鉑與DNA 相互作用形成的1, 2-鏈內加合物[18]; (c) 用于鉑 藥物靶向遞送的納米抗體偶聯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 天然核酸介導的金屬納米簇的合成與應用

熒光金屬納米簇(metal nanoclusters, MNCs)具有尺寸小、穩定性高和生物相容性好等優勢, 在生物檢測和成像領域的應用非常廣泛.基于DNA序列中特定堿基雜環上的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、二級結構多樣、生物相容性好, 使得DNA成為調控MNCs 生長有效模板之一[11,42].以DNA為模板調控MNCs 合成的基本步驟如下: 金屬離子首先與DNA 結合, 然后還原成核, 進一步生長, 最后在DNA 的保護下穩定存在.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]利用發夾DNA 制備得到了AgNCs, 他們發現Ag-NCs 的熒光強度與發夾環上DNA 堿基的種類相關.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.以上研究結果表明, 通過調控核酸分子的序列和二級結構等參數, 可實現金屬納米團簇的可控合成.結合原位DNA 介導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、穩定性和細胞穿透能力, 從而實現了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 為模板合成了發射藍光的AuNCs, 研究結果表明, pH 以及HAuCl4和DNA 的濃度比會影響堿基與Au3+的結合, 從而通過改變以上參數可實現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]結構也可以作為MNCs 生長的模板, 調控金屬納米團簇的生長及其光學性質.值得關注的是, 通過DNA 模板成功合成了Cu/AgNCs[56]和Ag/PtNCs[57]等雙金屬納米簇, 解決了化學濕法合成多金屬納米團簇的技術難點.

3.3 功能核酸與金屬相互作用及應用

圖4 制備不同DNA@Ag-NCs-陽離子聚電解質復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富集系統進化技術(systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX)篩選得到的具有靶向結合、催化等特定功能的單鏈寡核苷酸序列[58,59].自1990 年SELEX 技術首次報道以來, 通過體外篩選技術獲得了一系列可結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用[60?63].

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

圖5 (a) 由中心陽離子穩定的4 個G 堿基和人端粒G-四鏈體DNA 的X 射線結構[18]; (b) 金屬離子依賴性DNAzyme的結構示意圖[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得到的具有折疊成復雜二級結構的ssDNA 序列, DNAzyme通過與金屬離子活性中心結合, 可催化特異性核酸切割/連接等反應, 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 的結構, 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基因沉默和癌癥治療等方面[7,76?80]有著廣泛的應用前景.

功能核酸分子的核心優勢在于可特異性識別特定元素的金屬離子, 結合核酸分子序列的可設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域具有巨大的應用潛能.

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”介導的原子制造

在過去的幾十年間, 化學家和合成生物學家們一直致力于人工核酸的開發與應用[81,82].從核酸的基本結構和性質出發, 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, 可獲得具有區別于天然核酸的物理化學性質的人工核酸分子[83,84].隨著核酸化學的不斷發展, 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域的重要組成部分, 賦予了核酸材料新功能和新應用, 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) 不改變雜環堿基基本結構, 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, 最受關注的金屬配合物是具有良好電化學活性的二茂鐵(Fc), 其環戊二烯基環之間的間隙(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 中兩個呋喃糖環被Fc 分子中兩個環戊二烯基單元取代, 通過一系列復雜的有機反應將T 堿基標記在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 處產生較弱的吸收峰.通過人工核酸分子的合成實現了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, 基于其類天然核酸的結構及保留了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雜的二維及三維原子結構.

區別于糖環結構的替換, 湖南大學譚蔚泓院士課題組[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、刺激響應分子的亞磷酰胺單體, 并通過DNA 合成儀實現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, 通過電化學測試發現隨著互補堿基的不同, 電荷轉移速率明顯不同, 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.研究結果表明進一步研究發現, 通過調控Fc人工堿基的數量, 可有效地調控其組裝性質.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), 結果表明通過改變末端Fc 堿基的數量可實現組裝納米顆粒的尺寸, 且利用Fc 引發類芬頓反應可實現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域的有效性.Zhang 等[97]設計了嵌入有Fc 人工堿基的DNA 納米花結構(DOX-Sgc8-NFs-Fc), 進一步構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 核酸納米結構在原子制造中的應用

4.1 核酸納米結構

自從1983 年美國紐約大學Seeman 教授[98]首次提出DNA 納米技術以來, 科研工作者不斷利用DNA 這種典型的原子級精準自組裝體構筑成特定的納米結[99?103].基于Waston-Crick 堿基互補配對原則高特異性、可預測性和高精確性, 通過“自下而上(bottom-up)”的自組裝策略, 可以精準設計并合成具有不同形貌、尺寸的DNA 納米結構,人們設計和制備得到了大小和形狀各異的精美DNA 納米結構, 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, 由此發展起來的DNA 折紙技術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 折紙結構, 進一步拓展了DNA 納米結構的維度.2016 年,Douglas 等[117]利用“自上而下(top-down)”策略構建了三維多面體DNA 折紙(圖8(b)), 標志著DNA 納米技術邁向了新的高度.DNA 折紙不僅具有形貌、尺寸可控的優勢, 還能精確設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納米尺度精確定位的基團修飾, 使其成為單分子精準定位、納米材料可控排布和生長的理想模板[118?123].

4.2 DNA 折紙介導的自組裝

調控納米顆粒的空間排布是納米技術領域長期以來存在的挑戰之一, 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 折紙上特定區域的互補鏈進行雜交實現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 納米技術實現金屬納米材料精確組裝的新天地.隨后, 一系列具有特殊結構、光學性質的金屬納米結構相繼被報道[124,125].除了實現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控, 研究了距離對著兩種酶協同催化效果的影響(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建了等離子領結納米結構, 進而將單個拉曼報告分子限域在領結的間隙處, 實現了單個納米結構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 實時監控和定位DNA 結合事件, 通過光交聯以固定分子信標進行特定位置的可視化, 實現了在單個分子上進行可視化時進行超分辨率標記(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 折紙的金領結納米結構用于單分子表面增強拉曼散射分析[119]; (b) 用“Action-PAINT”實現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構[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 納米導線, 這一創新性工作標志著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納米結構的發展為金屬化提供了結構多樣的模板.2011 年, Liu 等[131]實現了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 種子的環形DNA 折紙上進行了Au 和Cu 的金屬化, 首次實現了DNA 折紙模板上制造導電銅納米結構[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在DNA 折紙骨架上, 再進行成核生長也可以在DNA 折紙上實現精準的定位金屬化, 制備了不同圖案的AuNPs結構.Jia 等[122]開發了一種基于DNA 折紙的高度局部化金屬化反應策略, 實現了在全DNA 基底上對字母、數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度和可控性, 為納米電子和納米光子應用指明了新的方向(圖11(a)).2014 年, Helm 等[135]和Sun等[136]幾乎同時提出了DNA 模具法, 在三維尺度上實現了基于DNA 折紙的金屬限域生長.他們設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 折紙誘導的團簇預水解策略在納米尺度上將DNA 序列編碼的自組裝結構復制成具有剛性結構的精確二氧化硅構型(圖11(b)).這一工作不僅突破了傳統硅化學合成在結構尺度上的限制, 實現了納米尺度的精確二氧化硅結構的制備; 而且賦予基于DNA 的固態納米孔在保持精確結構的同時還具備了更好的力學性能, 進一步拓展了基于核酸材料的原子制造的適用領域.

5 總結與展望

原子制造技術的發展正處于起步階段, 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, 由于其結構特征以及可以作為金屬原子結合天然靶標的本質, 隨著DNA 納米技術的快速發展, 在精準原子制造領域展現出巨大的潛力.本綜述從核酸分子的基本結構與功能出發, 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、核酸介導的金屬納米簇的生長調控和含金屬人工堿基“分子元素”的開發與應用等方面的經典實例, 最后回顧了DNA 納米技術的發展及其在原子制造領域的優勢與潛力.利用DNA 納米技術進行原子制造的研究屬于仿生制造的范疇, 目前限制這一領域的發展主要瓶頸在于制造成本高難以實現大規模生產.隨著DNA 體外合成技術的日益成熟, 目前已經可以實現大規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以及DNA 納米技術的優勢, 將金屬精確組裝到核酸納米結構中, 制造出可以保持金屬在原子尺度上保持獨特性質的宏觀產品, 以實現納米級光學、電磁學和精準醫療等方面的應用.