樊春海、颜颢团队Nature：用户自定义的DNA-二氧化硅复合材料
2018-07-27 11:27:00
作者：本网整理 来源： X-MOL
人们通常认为遗传信息存储在DNA的一维序列中。然而，近年来随着三维基因组领域的发展，研究者已经越来越多地认识到生物体内很多基因调控信息是以特定形式存储在核酸的高级拓扑结构中。与之相应的，DNA纳米技术的兴起为通过DNA序列编码在体外合成与发展人工DNA纳米结构提供了新的可能。尤其是随着以“DNA折纸术（DNA origami）”为代表的一系列DNA自组装技术的发展，研究者已经可以在溶液中合成出结构精细、形状各异的复杂DNA纳米结构，包括各种纳米孔道结构。
以蛋白质离子通道为代表的生物孔道结构在生物体内的传质、换能和信号传导过程中发挥着关键性作用。近年来，仿生纳米孔道结构的设计与构建已成为一个研究热点，并且为生命分析、合成化学和限域催化等提供了新的可能。然而，如何构建稳定可靠的纳米孔道结构始终是一个挑战性问题。例如，经典的蛋白质纳米孔结构精确，然而其可控性和稳定性限制了它的广泛应用；通过电子束刻蚀固态纳米孔道则面临着成本高、重复性差、通量低等问题。采用DNA纳米技术来合成纳米孔道结构则具有可编程设计、成本低廉、通量高等优点。然而，DNA孔道结构的刚性和稳定性则又成为其广泛应用的障碍。如何在维持DNA结构精确性的前提下提升其强度亦已成为DNA结构纳米技术领域的一个巨大挑战。
中国科学院上海应用物理研究所樊春海（Chunhai Fan）课题组与亚利桑那州立大学颜颢（Hao Yan）课题组近期发展了一种新方法，可以在保持DNA纳米结构精巧设计的前提下，提升其力学性能的方法。海洋单细胞生物硅藻的精巧二氧化硅外壳结构为研究人员提供了思路。在自然界中，各种复杂骨骼结构多是由蛋白框架诱导无机矿物生成。在该工作中，他们提出框架核酸诱导二氧化硅沉积的团簇预水解策略（OMPC），将经典St?ber硅化学引入DNA结构体系，通过二氧化硅仿生矿化方法，成功实现了精确可控的DNA-二氧化硅复杂纳米结构制备。相关论文于2018年7月16日在线发表于Nature，刘小果（Xiaoguo Liu）博士、张菲（Fei Zhang）博士和博士研究生靖薪薪（Xinxin Jing）为该文共同第一作者。
DNA框架诱导团簇预水解策略与对应的分子动力学模拟验证。图片来源：Nature
生物矿化领域在纳米尺度精确控制矿物形貌上面临很大的挑战。早期研究工作主要利用化学气相沉积（CVD）方法配合DNA纳米结构来完成二维平面结构的制备。但是，CVD技术中二维DNA纳米结构不可避免的会脱水、形变，三维DNA纳米结构则更难维持其原本设计。而相比之下，基于溶液体系的二氧化硅仿生矿化方法可以最大程度的保持各种DNA纳米结构的原始设计。该方法还可以由二维平面结构拓展至三维框架、三维曲面结构、简单几何结构以至复杂有序结构等等。从而，一方面突破了传统硅化学合成在材料结构尺度上的限制，实现了纳米尺度的精确二氧化硅结构的制备；另一方面还能显着提高这种框架核酸的力学强度，使基于DNA的固态纳米孔在保持精确结构的同时还具备了更好的力学性能。
二氧化硅仿生矿化精度验证。图片来源：Nature
研究表明，这种框架诱导的团簇预水解策略可以在纳米尺度上忠实地将DNA序列编码的自组装结构复制成具有刚性结构的精确二氧化硅构型。分子动力学模拟证明，当溶液中存在的阳离子硅烷（TMAPS）与作为硅源的正硅酸乙酯（TEOS）预水解，形成带有三个正电荷以上的分子团簇时，就能使框架核酸表面沉积上二氧化硅。通过优化实验参数，则可以很好控制DNA-二氧化硅结构的厚度和粗糙度。
普适性验证。简单二维几何结构、层级二维几何结构、三维框架、曲面三维结构到二维阵列。图片来源：Nature
为了验证该策略的普适性，他们将这一反应体系用于各种人工设计的自组装核酸结构，均获得了精度可达2纳米的DNA-二氧化硅结构。特别的，他们合成了一种仿硅藻外壳结构。这种由框架核酸诱导产生的仿硅藻结构具有多级纳米孔，最小孔径可达2.7纳米，其外周则为棱长约为50纳米的高级六方孔结构。
材料纳米力学性能研究。图片来源：Nature
值得指出的是，电子束刻蚀很难制备出如此微小且具有多级特征的的固态纳米孔。而且，进一步的纳米力学性能研究还表明，这种DNA-二氧化硅复合结构的抗压强度要比纯DNA结构提升一个数量级，即可达1 GPa。这种框架核酸诱导的纳米孔道结构不仅精确、可控、稳定，而且能大批量制造。以1 nM浓度的框架核酸计算，100微升溶液即可制备出1010个具有复杂纳米孔道结构的单元。这就为基于纳米孔道的生命分析化学提供了全新的工具。目前，纳米孔道结构已在纳流控、核酸测序、单分子检测等方面发挥了重要的作用。因此，可以预期，这种本身具有的精确性和多元特异性框架核酸必将为研究纳米孔道中的新奇物理、化学性质和分析应用提供广阔的前景。
这项工作还被Nature Podcast选为当期研究亮点，以“Tougher DNA nanostructure”为题报道。这项研究展示了DNA结构纳米技术与无机材料结合的可能性，将会衍生出跟多新的化学与材料课题，例如基于该结构的纳米光电子学器件、纳流控、核酸测序、单分子检测等。
颜颢教授（左）与樊春海研究员（右）。图片来源：中科院上海应物所与亚利桑那州立大学官网
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