南開大學Angew. Chem. Int. Ed.綜述：仿生DNA納米管的納米級通道設計和應用

【引言】

自然進化的生物大分子納米管包括膜通道對于細胞而言是至關重要，其能夠為跨膜離子/分子通道、細胞內轉運和細胞間通信提供結構支持，而且這些通道往往顯示出基于電荷、大小、潤濕性和選擇性識別的特征門控行為。在活細胞中，這些蛋白質納米管的形成是在嚴格的時空控制下經由遺傳編碼得到的，難以在實驗中實現復制。近年來，隨著納米技術的蓬勃發展，各種人工設計的有機或無機納米管在生物物理學、光子學和電子學等領域中展現出巨大的應用潛力。其中，植根于結構DNA納米技術的仿生DNA納米管由于其生物學性質和設計靈活性而引起了人們的濃厚興趣。目前DNA的分子維度已被很好地理解，因而DNA納米管的幾何參數可以實現精確編程，另一方面，復雜軟件的使用讓結構設計變得更加容易。此外，DNA合成的放大策略也使得大規模生產DNA納米管成為可能。受益于這些獨特的性質和研究成果，仿生DNA納米管已經從簡單的結構演變為復雜的結構，并且其在人工膜通道、貨物輸送和生物反應器等方面的應用正在迅速出現。

【成果簡介】

近日，南開大學林建平教授（通訊作者）與上海交通大學樊春海教授（通訊作者）在Angew. Chem. Int. Ed. 上發表了題為“Biomimetic DNA Nanotubes: Nanoscale Channel Design and Applications”的綜述。在這篇綜述中，作者專注于仿生DNA納米管的結構設計、表征和應用的總結，并指出DNA納米管的通道能夠為藥物持續釋放、生物反應器和跨膜通道提供精確的納米級空腔，而外表面的剛性支架和多個有序連接位點可用作貨物運輸載體和模板。此外，由于仿生DNA納米管的良好的生物相容性和可編址性，它們在生物成像和治療方面也顯示出巨大的潛力。

【圖文導讀】

圖1 具有確定和未定長度的DNA納米管的設計策略

(a₁) 從DNA“瓷磚”設計的6HB結構；

(a_2-4) 由蜂窩狀、方形和六角形螺旋排列的DNA折紙組裝的DNA納米管；

(b₁) 由單鏈“瓷磚”組裝而成的具有可編程圓周的DNA納米管；

(b₂) 由DNA連接器控制的DNA納米管的包裹；

(b₃) 組裝互連分子標志和DNA納米管的曲率；

(b₄) 由垂直排列的梯級構成的三角形DNA納米管。

圖2 仿生DNA納米管作為藥物遞送載體

(a) 負載在30HB DNA納米管上的62個CpG序列；

(b) Dox負載到平直和扭曲的DNA納米管中；

(c) 病毒衣殼蛋白負載在DNA納米管上，由矩形DNA折紙包裹。

圖3 DNA納米管作為納米模板

(a) 通過將AuNP附著在24螺旋DNA納米管上形成的手性等離子體納米結構；

(b) 上圖：肌球蛋白錨定在DNA納米管上增強了肌動蛋白絲的流動性；下圖：沿肌球蛋白納米管（紅色）移動的兩條肌動蛋白絲（綠色）的連續圖像；

(c) 上圖：用于高分辨率成像的連接在DNA納米管上的成像鏈；下圖：DNA納米管的超分辨率圖像；

(d) 轉錄前后在六螺旋束路徑上移動DNA行走機器人。

圖4 基于DNA納米管的跨膜通道

(a) 六螺旋束攜帶由硫代磷酸酯修飾形成的跨膜疏水帶；

(b) 由跨膜莖和膽固醇修飾的帽組成的DNA孔；

(c) 在卟啉的幫助下雙鏈DNA形成的離子通道；

(d) 跨越具有膽固醇修飾的脂質雙層的DNA孔蛋白。

圖5 基于DNA納米管的多酶生物反應器

(a) 包含G6pDH和組裝在DNA“瓷磚”納米管上MDH的多酶復合物；

(b) DNA折紙構成的DNA納米管中發生的GOx和HRP級聯反應；

(c) 基于管狀DNA折紙的GOx和HRP反應。

圖6 基于DNA納米管的DNA納米機器人

(a) 通過添加“鑰匙”鏈（綠色）以移除“鎖”鏈（紅色）來打開離子通道；

(b) 添加鏈來釋放AuNP以選擇性地打開DNA納米管；

(c) 核仁素刺激管狀納米機器人調整構象形成矩形DNA折紙；

(d) 由電場控制的納米級機器人手臂。

【小結】

在這篇綜述中，作者簡要總結了DNA納米管的設計策略以及利用其結構特征實現的應用。同時，對于現實世界的生物學應用仍然存在挑戰，比如精確控制細胞中的貨物釋放仍然很困難。最后，作者也指出DNA納米管的合成產率、純度和規模的提升對于諸多應用的改善具有重要作用。總之，雖然目前挑戰仍然存在，DNA納米技術的顯著研究進展還是使得我們可以展望仿生DNA納米管將對基礎生物學研究和現實世界的醫療保健產生重大影響。

文獻鏈接：Biomimetic DNA Nanotubes: Nanoscale Channel Design and Applications??(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201807779)

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