Adv. Mater.：清華研究者利用折疊DNA實現雙親性分子在水溶液中的二維自組裝

【引言】

雙親性分子的二維自組裝很大程度上發生在固/液、液/氣或液/液界面，通過自發過程形成單層或雙層薄膜，如朗繆爾-布洛杰特（Langmuir–Blodgett）薄膜，固體脂質雙層和自組裝單層。這些都是通過雙親性分子與固體基質之間的強吸附作用甚至形成共價鍵實現的。但是，在水溶液中實現雙親性分子（既有親水性又有疏水性）的二維自組裝是一個既具有挑戰性又有趣的難題。因為從熱力學方面分析它一般是不利于形成二維結構，所以雙親性分子在水溶液中通常組裝成三維對稱封閉結構，如膠束/泡囊或一維纖維/管，以減少自由能。

【成果簡介】

近期，清華大學化學系劉冬生教授（通訊作者）等提出使用一種基于折疊DNA的可控框架組件，促使雙親性分子克服在水溶液中進行二維組裝的障礙。研究人員提出的策略具體是：利用一組短纖維使長鏈DNA折疊，形成折疊的DNA框架。由于設計/使用的短纖維序列不同，可以得到不同形狀的折疊DNA框架。雙親性分子通過與DNA序列選擇性雜交，合理地定位在一個DNA框架上。通過DNA雜交行為錨定在折疊DNA上的以疏水基團（LHGs）為主導的雙親性分子在折疊DNA上形成二維框架締合分子。在疏水-疏水相互作用的驅動下，更多的雙親性分子將與這個締合分子結合，從而減少總的自由能，并逐步在折疊DNA上形成同質或異質納米片。研究人員發現，通過調整疏水基的數目，可以實現對組件大小和形狀的精確控制。

【圖文導讀】

圖1 溶液中雙親性分子實現二維自組裝流程圖

（a）折疊DNA制備與雙親性分子二維自組裝；研究人員發現，通過調整疏水基的數目，可以實現對DNA框架組件大小和形狀的精確控制

（b）DDOEG分子與DNA結合；DDOEG，一種雙親性分子，由一個疏水性樹枝狀芳醚基團和八個低聚乙二醇基團組成。

圖2 納米片形成及尺寸控制

（a）納米片及納米金粒子對其的進一步修飾；

（b）半尺寸納米片聚集在折疊DNA上；基于雙親性分子自組裝的原理，研究者推斷，DNA和親水性基團組成的納米片在外面，疏水性基團在中間，形成“DNA–樹枝狀疏水基團–DNA” 的三明治結構。研究者利用納米金粒子修飾驗證了該推斷。

圖3 納米片形狀控制

（a）AFM圖像和三角形DNA折疊原理圖；

（b-d）納米片分別聚集在折疊DNA的一/二/三個區域。

圖4 異質納米片組裝的形狀和尺寸控制

（a）AFM圖像和矩形異質納米片剖面分析；

（b）AFM圖像和三角形異質納米片剖面分析；

（c）異質納米片通過DNA雜交和疏水-疏水作用組裝示意圖；結果表明，二維可控框架組裝是一個普遍適用的方法。

文獻鏈接：Precisely Controlled 2D Free-Floating Nanosheets of Amphiphilic Molecules through Frame-Guided Assembly（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201603210）

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