《Nature》｜實現精確可控的DNA-二氧化硅固態納米結構的製備

本文轉自上海應物所

仿生納米孔道結構的設計與構建目前已成為一個研究熱點，並且為生物分析、合成化學和限域催化等提供了新的可能。

中國科學院上海應用物理研究所研究員樊春海、亞利桑那州立大學教授顏顥等合作提出了一種框架核酸誘導的團簇預水解策略，將經典St?ber硅化學引入DNA結構體系，成功實現了精確可控的DNA——二氧化硅固態納米結構的製備。該研究工作以Complex silica composite nanomaterials templated with DNA origami為題，於7月16日在線發表於《自然》雜誌（Nature 2018, doi: 10.1038/s41586-018-0332-7）。

以框架核酸為模板的DNA——二氧化硅多級納米孔

(a)框架核酸誘導的團簇預水解策略示意圖 (b) 198鹼基對三維框架核酸與預水解團簇反應的糙粒化分子動力學模型截面圖 (c) 一種仿硅藻外殼單元的結構設計圖 (d)和(e)反應前框架核酸結構及反應後DNA——二氧化硅結構的溶液相原子力顯微鏡圖 (f) 反應後DNA——二氧化硅結構的分組平均化透射電子顯微鏡圖

以蛋白質離子通道為代表的生物孔道結構在生物體內的傳質、換能和信號傳導過程中發揮著關鍵性作用。經典的蛋白質納米孔結構精確，然而其可控性和穩定性限制了它的廣泛應用；通過電子束刻蝕固態納米孔道則面臨著成本高、重複性差、通量低等問題。採用自組裝DNA納米結構來合成納米孔道結構則具有可編程設計、成本低廉、通量高等優點。

然而，DNA孔道結構的剛性和穩定性則又成為其廣泛應用的障礙。因此，如何在維持DNA結構精確性的前提下提升其強度已成為DNA納米技術領域的一個巨大挑戰。樊春海團隊近年來在發展精確自組裝的框架核酸並應用於生物分子界面調控, 發展高靈敏生物感測檢測和活細胞分析等方面取得了系列進展(JACS 2012, 134, 13148; Nature Chem, 2017, 9, 1056; Natl Sci Rev 2018, doi: 10.1093/nsr/nwx134)。

在樊春海和顏顥指導下，上海應用物理研究所博士劉小果和博士研究生靖薪薪、亞利桑那州立大學博士張菲等合作，將框架核酸作為模板誘導團簇預水解，可以在納米尺度上忠實地將DNA序列編碼的自組裝結構複製成具有剛性結構的精確二氧化硅構型，並且可以由二維平面結構拓展至三維框架、三維曲面結構、簡單幾何結構以至複雜有序結構。這一新策略一方面突破了傳統硅化學合成在材料結構尺度上的限制，實現了納米尺度的精確二氧化硅結構的製備；另一方面還能顯著提高這種框架核酸的力學強度，使基於DNA的固態納米孔在保持精確結構的同時還具備了更好的力學性能。這種框架核酸誘導的納米孔道結構不僅精確、可控、穩定，而且價廉能大批量製造，為研究納米孔道中的新奇物理、化學性質和分析應用提供了全新的工具。

該研究工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部等的資助，並得到了上海光源的支持。

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