Angew.Chem.Int.Ed.：多價球形核酸用於不同納米材料表面超穩定DNA功能化

引言

由於DNA具有可編程性、高穩定性以及配體結合特性，各種DNA功能化的雜化材料已經廣泛用於生物感測、藥物運輸以及材料定向組裝方面。其中最關鍵的步驟是形成穩定的DNA功能化材料。金納米粒子（AuNPs）可以通過巰基DNA與其形成Au-S鍵進行表面修飾，石墨烯氧化物（GO）則可以通過氨基功能化DNA與其表面的羧基形成醯胺鍵進行表面功能化。但是對於那些很難與DNA共價連接的納米材料，如金屬氧化物、MoS2或者金屬有機骨架材料（MOF），如何實現其表面高密度DNA功能化是一個重大難題。研究表明，DNA可以通過分子間相互作用吸附在各種各樣材料表面，然而，一方面這種吸附力在大多數材料表面都很弱；另一方面，對於線形DNA來說，與材料表面相互作用能力越強往往會使其與目標DNA的雜交變得更加困難。那麼如何使DNA在獲得與材料表面強大結合里的同時，還能保持DNA的分子識別功能呢？

成果簡介

近日，加拿大滑鐵盧大學化學系的劉珏文教授在Angewandte Chemie International Edition上發表了題為「Polyvalent Spherical Nucleic Acids for Universal Display of Functional DNA with Ultrahigh Stability」的研究論文。在這項論文中，作者提出了一種球形核酸（SNA）的概念。一方面，SNA（即高密度DNA功能化的金納米粒子）通過多價相互作用大大增強了其與材料表面的結合力，只是簡單地混合就能夠實現材料表面穩定的DNA功能化，其結合能力比相同序列的單鏈DNA要高出上千倍。另一方面，SNA在空間範圍上將DNA與在材料表面的結合與分子識別功能分開，在獲得與材料表面高結合力的同時，又能保持DNA與目標物的識別功能。

圖文解析

圖1. a）線形DNA與球形核酸（SNA）表面功能化的差別。線形DNA可能會因為表面吸附而損害其雜交功能，而SNA則在空間上分離了這兩個功能，同時具有表面吸附和分子識別功能；b）簡單混合SNA與Fe3O4，然後通過磁鐵吸附Fe3O4，溶液中沒有紅色，表明SNA全部吸附在Fe3O4表面；c）對比Fe3O4吸附SNA前後表面電勢隨pH的變化，表明SNA成功附著在Fe3O4表面；d）與相同序列的單鏈DNA相比，SNA-5 nm以及SNA-13 nm在Fe3O4表面有著更強的吸附；e）對比SDS，檸檬酸和PAA修飾的Fe3O4對單鏈DNA與SNA的吸附差異。配體修飾後的Fe3O4對遊離DNA的吸附量顯著降低，尤其是PAA修飾的Fe3O4幾乎不吸附單鏈DNA了，但是對於SNA仍有很強的結合力，表明SNA與材料表面的結合力非常強。

圖2. a-b）TEM表明SNA-5 nm以及SNA-13 nm成功的吸附在Fe3O4表面；c-l）作者嘗試將這種方法推廣到其他納米材料，包括金屬氧化物（TiO2和CoO）、銀納米粒子（Ag）、WS2、ZIF-8、GO、納米金剛石（ND）、碳納米管（CNT）和多胺納米粒子（PDA）。TEM的結果表明SNAs可以固定在所有這些材料上，這表明了這種方法的通用性；m-n）通過改變SNA的初始濃度來控制材料表面SNA的密度；o-p）改變核心金納米粒子大小來改變SNA的大小。值得注意的是，即使在總體DNA密度較低的情況下，SNA吸附的地方仍然存在較高的局部DNA密度，這確保了材料對DNA有著高的吸附力的同時，還能用多個功能性DNA來修飾納米材料。

圖3. TEM只顯示SNA能吸附在材料表面，這種吸附力是否穩定呢？為了驗證這一點，作者選擇三種不同的DNA與材料表面相互作用力：GO的π-π堆積作用、Fe3O4表面磷酸鹽配位作用以及與WS2表面的范德華力作用。a）加入5mg/ml的BSA後，GO表面80%吸附的單鏈DNA都被競爭取代，而只有不到5%的SNA被取代；b）加入0.1 mM的磷酸鹽，Fe3O4表面幾乎所有吸附的單鏈DNA都被競爭取代，即使加入100 mM的磷酸鹽也只有7%的SNA被取代；c）加入0.1 mg/mL的SDS，WS2表面所有吸附的單鏈DNA都被取代，即使SDS濃度高達10 mg/mL也只有10%的SNA被取代。d）在8 M尿素的惡劣變性條件下，三種材料表面吸附的單鏈DNA超過50%被取代，而SNA幾乎完全保留。所有的這些結果表明SNA在材料表面的吸附幾乎與共價修飾一樣穩定。

圖4. a）證明SNA在材料表面穩定吸附之後，作者進一步驗證了其分子識別功能。b）在FAM-cDNA溶液中加入Fe3O4-SNA，熒光發生猝滅，這意味著SNA仍具有很好的分子識別功能。c）動力學實驗中，在FAM-cDNA溶液中加入Fe3O4-SNA，熒光迅速下降，不到1h便達到穩定，而在FAM標記的非目標單鏈DNA中加入Fe3O4-SNA，熒光不變，表明FAM-cDNA的熒光降低是通過DNA雜交實現的。值得注意的是，未修飾的Fe3O4會吸附FAM標記的非目標單鏈DNA，而Fe3O4-SNA不會，表面SNA功能化的納米材料還能夠防止非特異性吸附；d）最後作者還在更為複雜的緩衝溶液和血清中，溶解核心的AuNPs釋放DNA來驗證了Fe3O4-SNA分離和恢復FAM-cDNA的能力。與通過共價鍵修飾的納米材料相比，SNA修飾的一個優勢在於可以通過溶解核心的AuNPs來簡便的移除吸附的DNA，並且捕獲的DNA可以被定量地回收。

總結與展望

作者提出了一種球形核酸（SNA）的概念，並將其用於不同種類的納米材料表面的DNA功能化。DNA基本上可以與所有類型的無機表面相互作用，儘管相互作用可能是微弱的。但是這種微弱的相互作用能夠被SNAs所帶來的高密度DNA給放大，從而能夠在納米材料表面像共價鍵修飾一樣穩定的結合，並且吸附的DNA還能夠釋放出去，這是共價鍵修飾所不具備的。與簡單地線形DNA吸附相比，SNA的3D性質還能夠在空間上將DNA的吸附與識別功能分離，在與材料表面穩定結合的同時保證了DNA與目標物的識別功能。這項工作對於生物技術的發展、生物感測器的開發以及藥物輸送領域具有重大的啟發意義。

文獻鏈接

DOI:10.1002/anie.201805532

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201805532

團隊介紹

劉珏文，加拿大滑鐵盧大學化學系教授，博士生導師。2000年獲中國科技大學化學系本科學位。2005年獲美國伊利諾伊大學化學系博士學位，課題方向為脫氧核酸酶在金屬離子檢測中的應用。2005-2007年在伊利諾伊大學進行博士後工作。2007-2009年在美國新墨西哥大學和Sandia國家實驗室進行基於介孔氧化硅的藥物傳遞系統的博士後研究工作。從2009年起受聘於加拿大滑鐵盧大學。

獲得榮譽

2017年大學研究主席；2015年，文章DOI:10.1021 / la205036p被朗繆爾選為2000年最具影響力的論文之一；2014年加拿大化學學會弗雷德比米什獎；2011年安大略省早期研究獎；2004年伊利諾伊大學T.S.派珀獎（關於無機化學的最佳論文），；2003年，伊利諾斯大學獎學金；2002年伊利諾伊大學化學系獎學金；2002年生物感測器和生物電子獎亞軍

主要研究方向：

1、基於DNA的催化和DNA-金屬相互作用；2、無機納米顆粒模擬酶（納米酶）；3、靶向藥物輸送/納米藥物；4、生物分析化學和環境科學

課題組主頁：

http://www.science.uwaterloo.ca/~liujw/index.html

編輯：Flixews

審核：Pheonix

推送：yami

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