我校化学化工学院、配位化学国家重点实验室的肖守军教授课题组最近采用小环DNA(64和96个碱基的小环)作为新模块,分别使用3~6条短的直链DNA作为铰链,跨越两至三个DNA小环,实现了横向DNA双链环的平行组装而构成纳米管(J.
Am. Chem. Soc. 2014,136,
10194-10197),这一最新研究成果以论文的形式发表在近期的《美国化学会志》杂志上。

生物大分子在自然进化中发展出一套独特的“自下而上”自组装方式进行各种复合结构的可控装配,为多功能生物纳米材料的加工制备提供了绝佳范例。其中,核酸-蛋白质纳米复合体系的可控构筑,不仅将实现生物学上两种基本组装模式的有效结合,以提供愈加复杂的生物结构模板,还有助于体内生物大分子相互作用的深入理解,对仿生器件制造和生物医学应用具有深远意义。近年来,DNA纳米技术取得众多令人瞩目的研究成果。研究人员在计算机帮助下基于碱基互补配对原则构建了一系列精致的DNA多维结构,利用其伸出的DNA捕获链杂交蛋白表面偶联的DNA片段,可指导蛋白客体在预定位置有序排布,从而广泛应用于DNA-蛋白质复合纳米结构的可编程构筑。然而,利用蛋白质表面氨基酸残基进行DNA共价交联的常规方法,有着一些难以规避的缺点,包括修饰基团对功能蛋白活性的损害,修饰点与取向的不可控性以及操作体系不适于体内自组装过程等,限制了进一步的发展。因此,一些科学家利用非共价交联手段,如链霉亲和素-生物素相互作用、特异性适配体和DNA结合蛋白等,进行DNA支架-蛋白质复合纳米结构的组装研究。但目前这些研究往往局限于特殊蛋白个体在DNA支架上的结合排布,并且不涉及后续组装调控。构建更加高级而有序的DNA-蛋白质复合结构,并实现蛋白分子化学计量学和原位组装调控,是发展基于核酸和蛋白质的杂化生物纳米材料所面临的一个重要挑战。

近日,中国科学院国家纳米科学中心李乐乐课题组在DNA纳米生物技术用于核酸递送的研究中取得新进展。相关研究成果“Engineering
Multifunctional DNA Hybrid Nanospheres through Coordination-Driven
Self-Assembly
”于12月20日以Hot Paper发表在《德国应用化学》杂志上(Angew.
Chem., Int. Ed.
2018, DOI: 10.1002/anie.201810735)。

DNA和RNA纳米组装技术及应用,是近年来纳米材料领域迅猛发展的一个新方向。该研究主要利用DNA和RNA分子构建可操控的纳米结构或器件,将其应用于药物传输、合成生物学、生物传感、纳米机器、量子自动格点机、纳米存储等,DNA和RNA纳米技术在生物学、化学、物理学、计算机等多个学科领域具有广阔的应用前景。我校化学化工学院、配位化学国家重点实验室的肖守军教授课题组在国家重大科学研究计划和自然科学基金等项目资助下,最近采用小环DNA(64和96个碱基的小环)作为新模块,分别使用3~6条短的直链DNA作为铰链,跨越两至三个DNA小环,实现了横向DNA双链环的平行组装而构成纳米管(J.
Am. Chem. Soc. 2014,136,
10194-10197),这一最新研究成果以论文的形式发表在近期的《美国化学会志》杂志上。而之前的研究中,DNA自组装纳米技术主要使用直链DNA为基本原料。由于DNA小环(几十到两百个碱基左右)在生命体系具有特殊的意义,它是基因重组、交换、表达等生物功能的关键中间体之一。小环DNA还是理想的几何拓扑学的研究对象,科学家们从理论和实验上研究了它特有的扭曲、弯曲、扭结、刚性、和离解等力学性能。基于DNA双链小环在溶液里的刚性,该课题组提出了利用DNA小环作为刚性基元构筑纳米结构的设想。与以前使用的径向DNA双链构成的纳米管不同,环状DNA构成的纳米管的管径均一且可控,管壁的封闭性好,DNA小环本身不易被酶降解。这些特点可能使环状DNA构成的纳米管在药物传输、基因上调或下调、基因表达、疾病诊断和治疗上得到应用。

针对这一挑战,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员王强斌团队在前期工作的基础上(ACS
Nano
, 2018, 12, 1673-1679; Adv. Mater.,2017,29, 1606533; J. Am.
Chem. Soc
., 2016, 138, 1764-1767; Small, 2016, 12, 4955-4959; J. Am.
Chem. Soc
., 2015, 137, 457–462; J. Am. Chem. Soc., 2013, 135,
11441–11444.),首次利用病毒蛋白与基因组RNA内在作用机制在DNA支架上进行原位可控组装体系的设计,展示了DNA-蛋白复合结构的多级可控构筑。病毒是一类典型的自组体,它的装配过程具有很高的特异性和效率,能够在短时间内利用弱键协同作用组装生产出大量的病毒颗粒。以烟草花叶病毒(tobacco
mosaic virus,
TMV)作为模式系统,研究人员探索了不同条件下TMV基因组RNA与衣壳蛋白的互作规律及其对病毒颗粒的装配调控。TMV基因组特定的组装起始序列可有效引导核酸与病毒衣壳蛋白的特异性结合并引发体外重构组装,并且病毒蛋白管的组装长度是由RNA长度决定的,从而为蛋白域的精确调控提供了可能。研究人员构建了一维到三维DNA
origami模板作为支架结合不同长度的TMV
RNA重组序列,引导后续的原位组装过程。通过支架表面结合位点和序列的设计,不仅实现TMV病毒蛋白管在DNA支架特定位置按一定组装程序进行定向装配生长,还完成蛋白管原位组装长度的有效调控。这些成果为构建复杂DNA-蛋白复合组装体系提供了新的策略。这种策略具有普适性,展现出以DNA
origami为功能载体结合其它探针进行病毒组装与感染机制研究的潜力,为DNA纳米技术在生物医学领域的应用提供新的视角。

作为一种功能性生物大分子,DNA已被广泛用于分析化学、医学诊断和疾病治疗。由于DNA难以穿过细胞膜且易被降解,如何实现DNA有效递送成为该领域发展的关键。目前,研究人员开发了各种类型的纳米载体(例如:高分子胶束、脂质体、无机纳米粒子),以实现体外和体内核酸递送,但面临着制备困难、效率低和安全性差的问题。近年来,DNA纳米技术得到了迅猛发展,并在核酸及小分子药物递送方面展现出巨大的潜力。DNA自组装纳米结构主要包括:Ned
Seeman团队发展的瓦块 自组装,Paul Rothemund博士发明的DNA折纸术(DNA
origami),以及Chad Mirkin课题组发展的球形核酸 (spherical nucleic
acids)。然而,这些方法往往需要使用大量预先设计的不同序列的核酸链进行组装或者对核酸特定位点进行修饰及表面功能化,如此复杂的合成方法阻碍了其在生物医学领域的广泛应用。因此,发展简单、高效的组装方法以构建多功能DNA纳米结构仍然是DNA纳米技术领域的一大难题。

在此之前,他们还报道了光控嵌入偶氮苯人造DNA机器(Small, 2013, 9,
3939-3943),具有重复单元的滚环扩增(Rolling Circle
Amplification)DNA长单链的折纸技术(J. Am. Chem. Soc.2013,135,
2959-2962),以及滚环转录(Rolling Circle
Transcription)RNA长单链的折纸技术(Chem. Commun., 2014, 50,
2100-2103),极大地降低了DNA或RNA纳米结构的应用成本。

以上工作发表在《美国化学会志》杂志上(J. Am. Chem. Soc., 2018,
DOI:10.1021/jacs.8b03914)。该工作得到了国家自然科学基金(21425103,
21673280, 21703282)和国家重点研发计划(2016YFA0101503,
2017YFA0205503)等的经费支持。

李乐乐课题组受传统金属-有机配位化学的启发,首次提出利用金属配位驱动自组装构建DNA纳米结构的新概念,发明了一种自组装合成DNA纳米结构的新方法学,构建了一类新型DNA纳米材料——金属-DNA纳米结构,并表明该体系可用于细胞及活体水平高效核酸递送。重要的是,该方法非常简单,只需要将DNA分子和金属离子在一定的温度下于水中混合,即可快速、高产率地获得具有球形形貌的金属-DNA纳米结构。而且,通过调节DNA分子和金属离子的比例及浓度,可以精准调控金属-DNA纳米结构的尺寸和组分。研究人员已将该金属-DNA纳米结构成功应用于核酸药物递送。研究表明,作为新颖的、无载体的核酸递送系统,金属-DNA纳米结构可将核酸药物有效地递送到不同的细胞中,并且在体外和体内均发挥高效的生物识别和药效作用。该工作展示了金属配位驱动的自组装在合成DNA纳米材料方面的潜力,为DNA纳米结构的构建开辟了新的方法学。相比于快速兴起和发展的金属-有机框架材料,研究人员相信该类金属-DNA纳米材料将会极大地推进DNA纳米生物技术和金属配位化学领域的发展。此外,该方法将有助于设计多功能生物材料,应用于生物传感、生物成像和药物/基因递送。

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该工作是李乐乐课题组在前期研究(J. Am. Chem. Soc. 2018. 140,
578-581;J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13804-13810;Adv. Mater. 2018,
1804745)的基础上实现的。该研究得到国家人才计划和国家自然科学基金的支持。

图1.
两种纳米管的形成方法和形貌的对比。上图为两条不同序列的96碱基的DNA小环在6条不同序列的短链作铰链的辅助下构建的DNA纳米管及其相应的原子力显微镜图,管径10纳米,管长1~15微米;下图为一条96碱基的DNA小环在3条不同序列的短链作铰链的辅助下构建的DNA纳米管及其相应的原子力显微镜图,管径10纳米,管长0.1~0.5微米。

DNA支架上进行病毒蛋白原位组装及多级可控构筑示意图

论文链接

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国家纳米中心DNA纳米生物技术研究取得进展

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