酸碱驱动核酸纳米马达的构建与应用_柳华杰

酸碱驱动核酸纳米马达的构建与应用s 柳华杰 杨 洋 刘冬生本文作者:柳华杰、杨洋、刘冬生,国家纳米科学中心纳米科技的飞速发展及纳米结构表征与操控手段的不断进步,极大地促进了纳米生物机器研究的发展,吸引了众多来自化学、物理学、纳米技术、材料、医学等多个学科的科学家加入这一前沿领域。

纳米生物机器作为纳米技术与生物医学等研究领域中的一个前沿交叉热点,其研究意义不仅仅局限于对生命奥秘本身的探求,更重要的是通过与应用研究的衔接,在智能材料、生物传感器以及纳米生物机器人等研究中发挥重要作用,并为最终实现纳米生物机器在生物医学等领域的广泛应用奠定理论和实验基础。

目前,国际上研究的纳米生物机器主要包括两种:以蛋白质分子马达为主的天然纳米生物机器以及以核酸为主要研究对象的人工制备的生物材料纳米机器。

核酸除了作为生命遗传信息的载体,还以其易于编程、结构与序列关系确定、合成简便等特点成为纳米结构与器件构建的重要材料。

以核酸二级结构变化为基础构建生物分子机器是当前纳米生物技术研究领域发展中最具有挑战性的课题,国际上只有很少的几个研究组取得了一些进展,而且这些核酸器件大都建立在以核酸的链交换反应为动力的基础上,存在着速度慢、效率低、可靠性差等缺陷,极大地限制了其应用,所以国际上此领域的研究还主要以概念演示为主。

2003年,刘冬生等提出的以酸碱驱动核酸结构变化构建的核酸纳米马达解决了上述问题,以化学反应作为驱动能源开辟了此研究领域的新方向。

此核酸马达由一个含有多个连续C (胞嘧啶)碱基的DNA 序列/X 0作为主体,并用与其部分配对的/Y 0序列作为辅助,其工作原理如图1所示:在弱酸性环境下,/X 0序列通过胞嘧啶-质子化胞嘧啶特殊碱基对的形成,分子内折叠为致密的四链结构;而当环境转变为弱碱性时,质子失去,四链结构展开,/X 0与/Y 0形成双链。

通过调节溶液的p H 值,即可实现/X 0链的伸缩运动。

每个工作循环产生的副产物只是极少量的水和盐,对核酸的构象不产生负面影响,在马达循环工作数十次后,效率仍没有明显的降低(A n ge w andte Che m ie International Ed ition ,2003,42(46):5734)5736)。

图1 质子驱动的四链DNA 分子马达原理在此分子马达高效、清洁运动机制的基础上,我们课题组结合微纳压印技术和荧光共聚焦扫描成像技术,研究了该分子马达在固/液界面中的运动,演示了其推动小分子功能基团运动的能力(Journal o f the Am eric an Che m ic al Societ y,2006,128(6):2067)2071)。

此结果为利用生物分子马达构建具有外界信号响应性的/智能0表面提供了一种新思路。

近日,我们与合作者通过将马达一端与表面固定,另一端修饰具有超疏水性的功能基团,结合表面粗糙度控制,实现了以DNA 分子马达为基础的焓驱动超亲水/超疏水界面的构建。

如图2所示:在马达/开0状态时,疏水基团暴露在外,表面浸润性表现为超疏水性质;而当马达/关0时,亲水性的DNA 骨架暴露,疏水基团被屏蔽,表面浸润性向超亲水转变,此过程完全可逆。

研究中我们还发现了此系统具有一个超疏水介稳态,和前述双稳态过程一起构成了一个具有长/短期记忆效应的三态智能系统。

相关研究结果已经发表在近期德国《应用化学》(A nge wand te Che -m ie In ternational Ed ition ,2007,46(21):3915)3917)上。

另一方面,通过将核酸分子马达在固体表面组装形成单分子膜,利用其运动过程中核酸二级结构的变化,进而引起表面核酸链密度变化也可以实现功能化纳米器件的构建。

利用此原理,我们先将/XY 0双链在微悬臂表面进行组装,形成紧密排列的/张开0状态单分子膜;然后,改变p H 值使马达运动,由于/收缩0状态时的四链构象比双链构象需要占用更大的面积,使得核酸链在表面的排列更加紧图2DNA分子马达为基础的焓驱动超亲水/超疏水界面密,表面张力增加,迫使作为基底的微悬臂发生弯曲,这演示了利用分子马达可推动微悬臂梁进行宏观运动的功能(Journal of t heAm erican Che m ic a l Socie-t y,2005,127(48):17054)17060)。

最近,我们还利用此原理构建了新型的核酸纳米器件,如图3所示,通过在/X0序列的一端引入一个单链,并通过其将马达在/闭合0状态下组装到表面形成致密的分子膜。

由于核酸的四链结构较单链结构能占据更大的空间体积以及更高的负电荷密度,在核酸四链结构形成的分子膜和金表面之间就形成了一个由单链支撑的纳米量级高度的空间,能够容纳一定量的功能小分子;由于核酸四链结构形成的分子膜比较致密,可以阻止处于此空间中的小分子扩散到外部的溶液中去,所以称此空间为核酸分子纳米舱。

通过马达的运动,此纳米舱即可实现功能分子的可控释放。

由于核酸马达的可循环性,在其基础上的核酸分子纳米舱同样可以实现多次利用。

此外,在适当交变电场的作用下,该核酸纳米容器的关闭时间可缩短到几十秒钟。

此结果对于进一步利用集体核酸分子协同运动构造生物大分子机械系统提供了一种较为理想的模型,并为深入利用核酸分子的结构可设计性、相互作用可设计性以及协同运动可设计性,提供了富有意义的探索途径。

此工作已发表于《核酸研究》(N ucleic A ci d s R ese arc h, 2007,35(5):e33)上。

尽管核酸纳米马达化学能驱动方式的建立实现了简单、有效、清洁的要求,但与当前实用化的微系统的光、电操控相比,仍是一种/接触式0模式,严重制约了其与现行微功能系统的对接。

为此,我们一直努力探索核酸纳米机器的新驱动方式。

近日,通过将此核酸纳米机器系统与一种紫外光控p H值响图3酸碱调控的核酸纳米舱构造示意图应的有机小分子系统相结合,我们成功地实现了核酸纳米机器的光驱动。

如图4所示,当紫外光照射时,MGCB释放氢氧根,溶液p H值提高,核酸构象由折叠的四链打开为单链;而关闭紫外光源,变化即向相反方向进行,氢氧根被重新结合,溶液p H值降低,核酸单链重新折叠为四链结构,系统回到初始状态。

通过操纵光的开关,此过程可被多次循环。

核酸纳米机器光驱动的实现使之向最终实现与光电操控的微机械系统结合这一目标迈出了重要一步,也为发展新型的生物纳米器件提供了一个新的思路。

相关研究结果发表在德国《应用化学》(Ange w andte Che-m ie Inte rna tional Edition,2007,46(14):2515) 2517)上。

图4核酸纳米马达的光驱动原理相关研究论文[1]L i u Dongsheng,Balasubra m an ian S.A p rot on-f u ell ed DNA nano m a-ch i n e.Ange w and t e Che m i e I n ternati onal Ed ition,2003,42(46):5734)5736[2]L i u Dongsheng,Bru ckbauer A,Abell C,B al as ub ra m an i an S,K angD,K l en er m an D,Zhou D.A reversible pH-d ri ven DNA nanos w itch array.Jou rnal of t h e Am erican Ch e m ical Soci et y,2006,128(6): 2067)2071[3]W ang Shu tao,L i u H uajie,L i u Dongsheng,M a X i nyong,Fang X iao-hong,Ji ang Le.i En t halpy-dri ven t h ree-st ate s w itc h ing of a s uperhy-droph ili c/s up erhyd rophob ic s u rface.Ange w and te Che m i e In ternati on-al Ed iti on,2007,46(21):3915)3917[4]Shu W en m i ao,L i u Dongsheng,W at ariM,R iener C K,S tr un z T,W elland M E,Balasub ra m an i an S,M c Kendry R A.DNA m olecu l ar m otor dri ven m i cro m echan i cal can tilever arrays.J ou rnal of theAm er-i can Che m i cal Societ y,2005,127(48):17054)17060[5]M ao Youdong,L i u Dongs h eng,W ang Shu t ao,Luo S ongn i an,W angW enxi ng,Yang Yan lian,Ouyang Q,i Jiang Le.i A lternati ng-electri c-fiel d-enhanced revers i ble s w i tch i ng ofDNA nanocon t ainers w it h p H.NucleicA ci ds Res earch,2007,35(5):e33[6]Li u Hu aji e,Xu Yun,Li Fengyu,Yang Yang,W angW enxing,SongYan li n,Liu Dongsheng.L i ght-dri ven con f or m ati onal s w itch of-imotif DNA.Ange w and te Ch e m ie In t ernational Ed iti on,2007,46(14): 2515)2517Des i g n,Constructi o n and Appli c ati o ns of P r oton-dri v-en DNA Nano m ach i n eL i u Hua jie,Yang Yang,L i u D ong s hengN a tional C enter fo r N ano science and T echno l o gy,B e ijing100080科学人刘东生和汪品先分获欧洲地球科学联合会洪堡奖章和米兰科维奇奖章欧洲地球科学联合会日前颁发了26枚奖章,其中:中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所刘东生研究员被授予洪堡奖章,中国科学院院士、同济大学海洋与地球科学学院汪品先教授被授予米兰科维奇奖章。