DNA 纳米技术

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Native polyacrylamide gel analysis of the assembly products
a) b)
Agarose Gel Electrophoretic Analysis Au-DNA conjugates
5nm AuNP
13nm AuNP
Schematic illustration of the construction of AuNP triangle structures and the controlled structural transformation by adding ‗‗fuel‘‘ and ‗‗antifuel‘‘ hairpin structures.
(Liu, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2324)
(Rothemund, Nature, 2006, 440, 297 )
3D DNA Nanostructures
Sleiman, H.F. et al.J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13376.
DNA Nanomachine
B. Yurke, A. Turberfield et. al. Nature 406, 605 (2000)
R. P. Goodman, et al. Nat. Nanotechno. 2008, 3, 93.
pH sensitive DNA structure
DNA nanomotor driven by proton
• How can we combine the individual properties into function?
(catalytic, nanoelectronics, nanooptics, enzyme ―factories‖)
纳米组装体系及其分类
以纳米微粒，纳米丝或纳米管为基本单元 在一维、二维和三维空间组装排列成具有 特定结构的体系。 分类：纳米组装体系根据其构建过程中内 外驱动力的不同，可分为人工组装体系和 自组装体系。
DNA Nanocontainer
Smart surface based on DNA motor
Angew. Chem., Int. Ed. 46, 3915‐3917
Smart surface based on DNA motor
DNA aptamer
表面增强拉曼（SERS）及其特点
Nanoscale structural geometry Sequence programmability Powerful molecular recognition Relative rigidity of double helix with nanoscale dimensions Readily synthesizing, modifying, and replicating DNA molecules Biocompatible

Theoretical background, innovative uses of DNA in multidisciplinary filed, recent development
• DNA (脱氧核糖核酸（DNA，为英文 Deoxyribonucleic acid的缩写） 生命遗传物质… 双螺旋结构… DNA 鉴定… DNA 探针… DNA 损伤/修复… DNA 重组… 基因工程…
表面增强拉曼的应用
Polymer Science
Surface Chemistry Applications of SERS Medicinal& Bio-Chemistry
Forensic Science
Corrosion Science
Nature Nanotechnology, 2008, 3, 548.
1974年，Fleischman 在电化学粗糙的银电极表面发现吡啶的表面增强的拉曼 信号。
SERS 的特点：
高信息量


高灵敏度
表面选择性 低破坏性 ……
Kneipp, K. et al . Chem. Rev. 1999, 99, 2957. Mirkin, C. A. et al. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 1052.
Turberfield A. J. et al. Science, 2005, 310, 1661
3D DNA Nanostructures
3D DNA Nanostructures
S. M. Douglas, et al. Nature 2009, 459, 414.
TRIANGULAR DNA NANOTUBES
D. Liu & S. Balasubramanian, Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42(46), 5734
How fast it is?
Cycle the machine
Run the motor at Solid/liquid interface
JACS 2006, 2067‐2071
Zheng, J. Nano Lett. 2006, 6, 1502.
Discrete Structure of Au Nanoparticles
Claridge, S. A. et al. Nano Lett. 2008, 8, 1202.
Zheng, Biophysical J. 2008, 95, 3340. Claridge, S. A. et al. Chem. Mater. 2005, 17, 1628.
人工组装体系
• 按照人类的意志，利用物理和化学的方法 人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列 构成一维、二维和三维的纳米结构体系， 包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等 （决定性作用：人的设计与参与）。
人工组装 体系 原子操纵 分子操纵
原子移动 原子提取 原子放置 接触式
非接触式
AFM
光镊
玻璃微针
磁镊
自下而上的自组装技术
——万能组装机
纳米零部件
组装产品
自组装（自组织）是指通过弱的和较小方向性的非共价键， 如范德华力、氢键、－相互作用、疏水相互作用和弱的 离子键的协同作用把原子、离子或分子连接在一起构成纳米 材料或纳米结构。其关键不是大量原子、离子、分子之间弱 相互作用力的简单叠加，而是一种整体的、复杂的协同作用。 自组装体系形成有两个重要的条件：一是有足够量的非共价 键或氢键存在；二是自组装体系的能量较低，否则很难形成 稳定的自组装体系
External Control of DNA Organization: WRITE/ERASE
Method to get Au triangle directly
OH O O P O S O DNA
or
S
DTPA
DNA triangle with three DTPA groups add AuNP directly, and then run gel to separate the Au trimer, dimer and momomer
DNA-templated Self-assembly
S. Rinker, et al. Nat. Nanotech. 2008, 3, 418.
J. Sharma, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5157.
N. Mitchell, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 525.
纳米技术被视为21 世纪的核心技术， 纳米科技将引发一场新的工业革命， 涉及到物理、化学、电子、材料、生 物、医学等多学科，并融合交叉。
Medicine and Health
Information Technology
Energy Production / Storage
Materials Science
DNAX射线衍射照片
1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传 的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和 传递的途径。
Why DNA?
Watson-Crick base-pairing rules
N. C. Seeman
DNA:
100 nanometer smiley faces
DNA origami
2D Constructions by DNA Self-Assembly
Nano-track Hexagon
(Park, Nano Lett. 2005, 5, 729) Triangle
(Aldaye, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2204. ) Smile face (DNA Origami)
Periodic Arrays of Gold Nanoparticles
Pinto, Y. Y. Nano. Lett. 2005, 5, 2399.
Sharma, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 730.
Zhang, J. Nano Lett. 2006, 6, 248.
DNA isolation
Oligo synthesizers
LCMS characterization of oligos
Chemical Synthesis of Oligonucleotides
Structural DNA Nanotechnology & Functional DNA Nanotechnology
二是自组装体系的能量较低否则很难形成稳定的自组装体系分子自组装组织原理疏水作用驱动疏水作用驱动氢键驱动模板驱动静电作用驱动静电作用驱动堆积效应驱动堆积效应驱动配位键驱动配位键驱动组织原理?在适当的基底上用有机化合物或无机化合物通过自组装技术制备具有有序结构的薄膜在适当的基底上用有机化合物或无机化合物通过自组装技术制备具有有序结构的薄膜自组装单分子膜lb膜?以有机化合物的分子为结构单元利用自组装技术制备结构有序的大分子以有机化合物的分子为结构单元利用自组装技术制备结构有序的大分子超分子体系纳米技术综合交叉学科?纳米技术被视为21世纪的核心技术纳米科技将引发一场新的工业革命涉及到物理化学电子材料生物医学等多学科并融合交叉
Food, Water and the Environment
Instruments
Drug delivery
GMR Hard Disk
Hydrogen Fuel Cells
Lightweight and strong
Remediation methods
Tunneling microscopy
DNA Nanobiotechnology
The Research Progress of DNA Nanotechnology Yongqiang Wen
2015.10.27
Challenges
• How can we precisely position components into any deliberately design pattern?
Significance of the Second Method
1.
DTPA, more stable and precise
2. Fasten Au NPs at any predetermined site, 3’, 5’ and the middle 3. More than one AuNPs on one DNA
纳米组装体系的重要性
其重要性主要表现在以下几个方面： • (1)纳米组装体系的结构具有多样性通过自组装可以形成 单分子层、膜、囊泡、胶束、微管、小棒以及更复杂的有 机／金属、有机／无机、生物／生物复合物等，其多样性 超过其他方法所制备的材料。 • (2)纳米组装体系的应用领域广泛多种多样、性能独特的 自组装材料将被广泛应用在光电子、生物制药、化工等许 多领域，并对其中某些领域产生未可预知的促进作用。 • (3)自组装技术代表着一类新型的加工制造技术
分子自组装组织原理
模板驱动
疏水作用 驱动 组织原理 静电作用 驱动 堆积效应 驱动 配位键 驱动
氢键驱动
• 在适当的基底上，用有机化合物或无机化合物通 过自组装技术制备具有有序结构的薄膜
自组装单分子膜 LB膜
• 以有机化合物的分子为结构单元，利用自组装 技术制备结构有序的大分子
超分子体系
纳米技术——综合交叉学科

A fusion technology of Nanotechnology and Biotechnology.
Fra Baidu bibliotek
Constructing nanostructured material and utilizing those nanostructured materials in biological, engineering, and medical applications.