電子科大&德國萊布尼茨材料研究所Angew. Chem. Int. Ed.：4維DNA金納米顆粒組件

【引言】?

近年來，由于Mirkin和Alivisatos率先利用寡核苷酸通過利用特定的堿基配對來組織金納米結構，這一概念迅速引起了人們的廣泛關注，并在大量基于DNA的膠體組裝中蓬勃發展，包括非晶簇、定義明確的有限“類分子”和無限的“類晶態“架構。DNA金納米結構無疑是最重要的納米材料之一，具有許多潛在的應用范圍，例如作為傳感器以及光電子器件。在已報道的這些結構中，絕大多數是非可重構的靜態組裝，它們往往表現出單一的物理化學性質。同時由于DNA的雜交是可編程的，由此可以設計出相應的動態DNA-Au納米系統，其中不同狀態的組裝可以通過鏈雜化反應操縱。在這些系統中，所有的穩態通常是熱力學上有利的，并且保持無限穩定，除非外部觸發器被引入系統。因此，在這些可切換組件中，自我調節和自主時間可編程性還不可行。

近日，電子科技大學趙輝教授，德國亞琛萊布尼茨材料研究所Andreas?Herrmann教授和鄭立飛博士（共同通訊作者）提出一種通過添加結構信息（即時間分量）的附加維度來制作4維金納米結構的新穎方法。文章第一作者為電子科技大學與萊布尼茨材料研究所共同培養博士后羅明博士。本文系統的耗散特性是通過利用DNA作為燃料并通過核酸外切酶III（Exo III）消化這種DNA燃料作為能量耗散途徑來實現的。同時展示了對于由球形金納米粒子(AuNPs)和金納米棒(AuNRS)定義良好的核-衛星結構組成的非晶簇的時間控制的中心概念。此外，DNA雜交的高特異性使之能夠證明在包含較小和較大球形AuNPs和AuNRs的單一混合物中，選擇性激活了更高復雜性的多種結構的進化，證明了DNA作為可編程燃料的巨大潛力。相關研究成果以“4-Dimensional DNA-gold nanoparticle assemblies”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖一、以DNA鏈為燃料，Exo III為能量耗散元件的球形AuNPs耗散聚類的示意圖

圖二、Exo III在非耗散條件下燃料鏈消化的選擇性

（a）非耗散條件下Exo III對燃料鏈消化的凝膠電泳分析；

（b）在8 U/μL酶存在下，加入燃料DNA(0.04 nmol)后每5分鐘測定一次紫外-可見吸收光譜；

（c）在上述條件下的DLS測量結果；

（d）在8U/μL酶存在下，在10和25分鐘加入燃料DNA(0.04nmol)前后獲得TEM圖像。

圖三、以恢復時間為參數，量化耗散聚類過程對酶濃度和燃料濃度的依賴性

（a）在2 U/μL、4 U/μL、6 U/μL和8 U/μL酶存在下不同循環的恢復時間；

（b）在6 U/μL酶存在下，恢復時間與燃料DNA量(0.04nmol、0.08nmol、0.12nmol和0.16nmol)之間呈線性關系；

（c）在8 U/μL酶存在下，連續加入燃料DNA后，吸收最大波長的變化；

（d）在8 U/μL酶存在下，連續加入燃料DNA后，在522nm處吸收。

?圖四、構建定義明確的耗散AuNPs結構

（a）核-星結構耗散組裝在15-AuNPs和AuNRs之間的結構演化示意圖；

（b）在AuNRs上組裝的15個AuNPs的時間依賴性；

（c）核-星結構結構演化的TEM圖像研究；

圖五、一定的時間過程中以不同的DNA序列激活時組裝成不同的結構

（a）15-AuNPs、55-AuNPs和AuNRs的耗散組裝核-星結構的連續結構演化示意圖；

（b）在AuNRs和球形55-AuNPs上組裝的15-AuNPs的時間依賴性；

（c）透射電鏡研究通過連續添加兩個燃料DNA序列激活的耗散核-星的連續結構演化。

【小結】

總而言之，作者提出了一種利用納米科學領域的耗散組裝系統的新方法，以DNA為燃料，以Exo III為能量耗散單元，實現了系統的耗散特性。與其他合成化學系統相比，在這里提出的一個重要點是DNA雜交的高特異性的方便應用，使得能夠選擇性激活具有較高復雜性的混合體系中多個體系結構的演化。最近的工作表明，結構的動態變化組裝的AuNPs可以調節它們與活細胞的相互作用。 這表明了具備自發結構演變特征的DNA燃料納米系統可以用來創造新功能，例如感知、細胞相互作用的自我調節或邏輯操作。此外，考慮到對AuNPs表面等離子體共振的動態控制的長期興趣，相信這項工作將啟發未來設計基于DNA的具有自主行為和時空可控性的非平衡等離子體納米系統。

文獻鏈接：“4-Dimensional DNA-gold nanoparticle assemblies”(Angew. Chem. Int. Ed.，2020，10.1002/anie.202007616 )

趙輝教授，博士生導師，國家青年人才，主要研究方向包括響應性高分子、非平衡態超分子自組裝、生物材料等領域，共發表學術論文40余篇，文章被引用2800多次，單篇最高引用400余次；其中以第一或通訊作者發表Nature Nanotechnology.; Nature Chemistry.; Angewandt Chemie.; Macromolecules等化學材料知名期刊論文15篇。另有專利授權2項。擔任J.Macromolecular Sci.Part A副主編，Polymers的客座編輯。課題組網頁：https://www.x-mol.com/groups/zhaohui

本文由材料人CYM編譯供稿。