自组装DNA纳米材料在生物医学的应用

高等生物化学分析和生物物理学课程论文

自组装DNA纳米结构材料在生物医学中的应用

DNA纳米材料概述1. 自组装作为自然存在的聚合物大分子，不但是生物遗传信息的载体，更可以DNA克里克定律碱基配-DNA作为有序可控的纳米结构单元。双链杂交严格遵循沃森的链接方式又DNA对原则，因此，通过控制碱基的排列顺序，我们既能够决定的纳米技术，不仅仅影响了大自然的生物进DNA可以设计它的整体结构。这种纳米技术中，研究者们可以通过合化，更为DNA的应用拓展了空间。在DNA 理地设计碱基序列，DNA序列能够按照设计组装成我们想要的结构。使得单独的[1,2,3]纳米。首先，DNA在纳米尺寸上构造DNA自组装结构有着独特的优势链按照碱基互补结构的构建是按照自上而下的顺序进行的，研究者可以使DNA这种特性是其他纳米配对原则杂交出预设的结果，从而设计出大量的核酸结构，双螺旋结构的DNA型材料（例如纳米颗粒和蛋白质等）所不具备的；其次，B，这种明确的特征使模，螺旋重复单元为3.4nm（约10.5个碱基对）2nm直径为并且能够修DNA合成仪可制备，第三，型构建变得相对简单；使用市售的DNA，双链DNADNA饰任意的序列；第四，DNA的结构兼具刚柔特性，相比单链最后，DNA的刚性较强。我们可以通过单链与双链的链接组装特定的几何结构。材料可与其他生物材料共同构建多组分的纳良好的生物相容性，利用DNADNA 米结构。碱基互补配对，研究人员采用链置换的策略，开发了一系此外，利用DNA逻辑门设计构造了模拟人类例如DNAWinfree 等人用纳米技术，列的动态DNA[37,38]大脑的神经网络和一个复杂的DNA计算机。

纳米材料组装的应用DNA基于2.

生物传感检测2.1

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DNA纳米材料最早期的是核酸分子探针，它是近年来发展起来的具有广泛应用价值和发展潜力的生物分析工具。核酸分子探针由核酸序列构建而成，通过碱基互补配对及其他非共价作用实现对目标物的识别，并通过光、电等信号将探[39]。目前，核酸分子探针已经被广泛应用于物理参针与目标物的识别报告出来数以及化学和生物学组分物质的传感和检测，如温度、pH值、金属离子、毒素、[40,41]。以上这些被检测的生物/化学有机小分子、蛋白质、核酸甚至整个细胞等组分及物理参数，在体外的环境检测及工业质量控制上，是重要的环境及质量参数；在体内，执行了许多重要的生物学功能。例如，目前有众多研究报道了钾离子核酸分子探针，如：有研究报道了一种基于核酸适体、纳米金和一条一端标记荧光素的DNA链的钾离子传感器，利用ssDNA（单链DNA）和四面体结构DNA在纳米金表面吸附能力的不同和纳米金的超猝灭效应，可以实现对钾离子荧光和[42]。Takenaka等人2002年报道了一种在水相中基于荧光共振能比色的双重检测量转移的钾离子核酸探针（PSO），该探针为富鸟嘌呤核苷酸（guanine nucleotide, G）序列，在一价离子存在的情况下，DNA在水溶液中可由无规则的卷曲状形成G-四聚体结构（G-Quadruplex，G4），尤其是K+对G4结构的稳定性有很好的特异性，K+浓度很大程度上影响G4结构，从而大大减少了生物体内Na+的干扰[1]。2005年，Takenaka小组用芘做标记，同样实现了基于荧光共振能量转移机

[43]。2012年Takenaka等人改进了核酸探针，采用理检测生物体系的钾离子传感

[44]。K+的成像凝血酶的核酸适配体实现了细胞内近年来，DNA作为一种“智能”材料，被用于构造具有周期性图案的纳米[4]等报导了一种以自组装DNA折纸结构为基底的核酸适配体高密度纳结构。Yan米阵列，用于检测蛋白质分子。当低浓度的凝血酶存在时，凝血酶与DNA纳米阵列上的核酸适配体结合，诱导局部信号提高。通过共焦荧光显微镜成像，便能够检测到这一信号。另一个例子是DNA水凝胶。在结构上，DNA组装成的水凝胶与天然组织非常相似，随着温度、pH值、盐离子强度和代谢物浓度的改变，水凝胶的结构相应发生改变。因此在生物传感领域，“刺激”响应或者智能水凝胶愈发吸引了研究者们的关注。- 2 -

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[4]纳米阵列检测蛋白质的示意图。图1.1高密度DNA 生物成像2.2

核酸分子是人高浓度的无机纳米材料往往具有一定的细胞毒性，相比之下，可以体的内源物质，因此具有生物相容性高、免疫源性小等优点，并且，DNA材料正逐渐成为一种新合成仪快速制备。因此，近年来DNA通过商业的DNA 型的生物成像纳米载体。

[5] 1.2 DNA图四面体纳米结构细胞内成像示意图。[5]四面体的纳米结构，并利用这等DNA利用核酸分子组装了可重构的Fan，然后INH），，XOROR和纳米结构构造了一系列逻辑门体系（些DNAAND）ATP逻辑门结构对细胞内物质，如DNADNA链序列、小分子（再采用这些2+）。和金属离子（Hg离子）等，进行实时的监控（图1.2 药物传递2.3

这种耐药性是使化疗策略可能会对细胞产生毒副作用，使细胞产生耐药性，难以避免同时由于传统的放疗和化疗缺乏靶向性，得肿瘤治疗无效的原因之一。- 3 -

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地给患者带来了极大的生理及心理创伤。为了解决这一问题，靶向药物运载体系[6]报导了一种DNA交联自组装水凝胶的结构（图1.3应运而生。Tan小组），用于肿瘤治疗中输送靶向药物。由于核酸适配体的作用，这种纳米结构会对白血病细胞产生特异的细胞毒性。此外，包含于自组装DNA纳米结构中的反义治疗[7]还Tan小组DNA链，抑制了P-gp的表达，能够有效诱导耐药性细胞的毒性。报导了一种DNA纳米凝胶选择性杀死肿瘤细胞，这种凝胶是由聚合物核酸适配体组装的，此方法也能有效杀死耐药性细胞。

[6]。图1.3 DNA纳米自组装凝胶结构药物治疗示意图2.4 基因沉默

2.4.1 基因沉默简介

基因沉默是指由于某些原因使得生物体中的某种基因不表达或表达减少的现象，分为转录水平上和转录后的基因沉默。由异染色体化、位置效应或DNA甲基化引起的为转录水平上的基因沉默，转录后特异性降解靶标RNA（mRNA)使基因失活的为转录后的基因沉默。

基因沉默是调控基因表达的一种重要方式，更是在基因调控水平上生物体的一种自我保护机制。在病毒侵染、外源DNA侵入和DNA重排、转座中具有普遍性。深入研究基因沉默，可帮助我们进一步了解生物体内基因遗传、表达和调控的本质，使外源基因能够更好地按照人们的要求进行有效表达；在基因治疗中，利用基因沉默可以有效地抑制有害基因的表达，从而达到治疗疾病的目的，因此研究基因沉默具有非常重要的理论和实践意义。

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