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核酸分子工程与纳米技术实验室

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ANGEW CHEM丨 DNA“折纸”遇上聚合物:强大的精确纳米结构设计工具

  • 本文的通讯作者Ulrich S. Schubert教授,现任德国耶拿大学有机与高分子化学研究所主任,是Macromol. Rapid Commun., Macromol. Rapid Commun.等杂志的编辑。Ulrich S. Schubert教授是金属超大分子共聚物领域的专家,研究课题涵盖超大分子材料、组合材料、杂化化学、纳米科学和表面生物化学等。已发表论文650余篇,引用次数超过18000次。

  • 一、前言

功能纳米粒子的制备与精确的纳米尺度表面修饰是当前研究的热点课题。而制备尺寸更小,结构更复杂并具有精确的表面定位功能的纳米粒子更是重中之重。纳米颗粒制备技术的提升将会进一步促进数据存储及光学设备的发展,更有助于开发新型药物传递系统。

构建纳米结构最重要的两种方法分别是光刻和自组装。光刻是一种自上而下的制备技术,可以将大尺寸物体加工成尺寸较小并具有特定几何形状的材料。但是光刻机价格昂贵,操作繁复。而自组装是一个自下而上的过程,它依靠分子间弱相互作用,例如氢键,范德华力,疏水作用力等,将组装单元构建成目标纳米颗粒。自组装的方法成本低,产率高。自组装的分子可以形成各种目标结构。但是,自组装并不能得到任意的几何图形。DNA“折纸”术的发展为纳米结构的研究提供了新的思路。DNA“折纸”提供精确的可寻址表面,可以将纳米粒子按照预先的设计进行精准的组装定位。在这篇综述中,作者着重介绍了DNA纳米结构与聚合物形成的独特杂化纳米结构的功能化进展并详细介绍了一系列聚合物与DNA纳米结构定向组装的方法。此外还讨论了与光刻及传统自组装方法相比,DNA折纸功能化的优势与局限性。

  • 二、聚合物与DNA“折纸”的组装

聚合物与DNA“折纸”的结合,是人工分子与天然大分子的结合,结合后的材料兼具两者的功能优势,将发挥异乎寻常的作用。一方面,DNA“折纸”前所未有的可寻址性可以在纳米尺度上定向吸附或聚集聚合物,为纳米设备的结构功能研究铺平道路。另一方面,聚合物具有可调节特性,例如不同的电负性,亲水或疏水性以及刺激响应性。此外,聚合物还可以稳定DNA纳米结构。实现两者结合的基本策略有两种,一种是在DNA“折纸”结构上原位生长聚合物分子,另一种是将预先成型的修饰后的聚合物组装到DNA基板上。

2.1 聚合物在DNA“折纸”上的原位生长

可控聚合技术的出现为制备分子量与结构可控的聚合物分子提供了可能。其中,原子转移自由基聚合反应(ATRP)使聚合反应可以在适合生物分子稳定的环境中发生。然而,在生物分子表面进行聚合反应需要在其表面安装反应必须的活性位点。本文作者将ATRP引发剂修饰的核酸序列通过碱基互补精确固定在DNA折纸的特定位置,然后利用该引发剂诱导聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯(PEGMEMA)的聚合,从而实现了聚合物在纳米尺度上的定向生长。作者通过原子力显微镜(AFM)表征了定点沉积聚合物后的DNA折纸结构的形貌。其高度图谱表明了在DNA折纸定点位置有新物质的生成。新生成的物质与DNA折纸结构具有不同的力学特性。新物质与DNA折纸结构相比,弹性模量较低,对应较软的聚合物材料特性。此外,在聚合过程中掺入双功能单体,例如聚乙二醇二甲基丙烯酸酯,会使聚合物发生胶连。即使将DNA模板去除后,聚合物部分依然能保持其结构。

 

1. 上图:DNA折纸作为引发剂诱导聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯(PEGMEMA)的聚合反应流程图;下图:定点聚合的聚合物/DNA“折纸”复合结构AFM图像。

Fig. 1. Top: Schematic representation of the DNA origami initiators used in the ATRP of PEGMEMA. Bottom: AFM images and height profiles of the L- and S-origami after polymerization on DNA.

丁保全课题组将血红素修饰的富G核酸序列短链定点互补到三角形DNA纳米结构上。修饰血红素的G序列作为DNA酶,催化过氧化氢氧化苯胺分子,形成苯胺自由基。自由基进一步耦合成苯胺二聚体。而连续的氧化偶联反应促使了聚苯胺的形成。此外,通过调节PH值,可以控制聚苯胺的可逆氧化还原。这使得导电杂合物在电子、传感器和能源存储领域具有广阔的应用前景。

 

图2. A: 聚苯胺/DNA复合结构的形成; B:聚苯胺/DNA复合结构的AFM图像;C:聚苯胺的分子式。

Fig. 2. A: DNA-templated synthesis of polyaniline (green) on origami triangles (grey) with DNAzymes (red structures with black dots) in presence of aniline and H2O2. B: AFM image of a single PANI-coated origami triangle. C: Structure of emeraldine salt form of PANI.

这种简单耐受的聚合策略也被应用到多巴胺在DNA纳米结构的定位沉积上。

图3. A: 2D DNA折纸上化学剂诱导的聚多巴胺形成; B:3D DNA折纸上光敏剂诱导的聚多巴胺形成。

Fig. 3. A: Chemically triggered polydopamine formation on 2D DNA origami via DNAzymes to create highly precise hybrid objects. B: Photo-induced polydopamine formation on 3D DNA origami under spatiotemporal control with the help of a locally trapped photosensitizer.

2.2 聚合物与DNA“折纸”的连接

在上面的示例中,聚合物链均以共价结合或非共价沉积的方式在DNA折纸表面的引发剂位置原位生长。此外还可以利用静电吸附作用,碱基互补配对或点击化学将人工或天然提取的聚合物分子嫁接到DNA纳米结构上。然而,聚合物的空间位阻,聚合物的溶解度以及DNA纳米结构的稳定性等都影响着聚合物与DNA结构的完美结合。

静电吸附作用

基于DNA磷酸骨架的离子性质,研究人员可以尝试通过静电吸附作用将聚合物结构连接到DNA折纸结构上。大量研究表明,侧链或骨架中包含氨基的聚合物在酸性环境中将会发生氮原子的季胺化作用。此时,这些多聚阳离子可以与DNA折纸通过离子间相互作用来结合。基于这种策略,Gang等人合成了一系列具有刷状和块状结构的多肽,这些多肽由带正电荷的单体和中性聚乙烯氧基单体构成。其中,由刷状的多肽涂层包裹的正八面体DNA结构最稳定。无论是降低镁离子浓度或者添加核酸酶均不能破坏其结构的完整性。另外,实验表明刷状多肽包裹的正八面体DNA结构可以作为抗癌药物的载体,并调控药物的释放速率;还可作为蛋白的载体,并能延长蛋白的稳定性。

 

4. 刷状和块状多肽修饰的正八面体DNA结构。

Fig. 4. “Brush-“ and “block-type” peptoids are supposed to lead to different surface coatings on octahedra-shaped DNA origami.

寡核苷酸杂交作用

通过离子相互作用进行聚合物/DNA结构的合成方法简单,但是这种简单直接的融合仅仅解决了DNA结构稳定性的问题。这种策略并没有利用DNA折纸结构特有的可寻址功能,甚至这种方法会通过覆盖DNA折纸的表面而影响其可寻址功能的实现。因此,通过碱基互补识别作用将聚合物连接到DNA结构上可以高度精确地定位单一聚合物链,克服聚合物链本身容易发生自组装的劣势。用与DNA折纸表面的单链DNA互补的寡核苷酸序列对聚合物进行修饰,可以实现聚合物的端基或侧链功能化。这一策略的实施,使聚合物可与DNA折纸进行可逆杂交,进而实现程序切换功能。

2.3 高度有序的结构

除了以上讨论的方法外,还可以利用疏水效应使DNA折纸和聚合物形成高度有序的结构。通过将疏水性的聚合物连接到DNA框架上,其表面性质将会发生显著改变,从而诱导两亲性结构的自组装。

  • 三、总结

DNA折纸与聚合物的结合是一个强大的用于表面修饰的新兴技术。迄今为止,用其它任何方式都无法实现在纳米精度排列具有各种几何形状的聚合物。另外,聚合物及其它材料分子均可正交修饰到DNA折纸表面,这种结合方式超越了光刻技术或自组装技术的技术极限,在设计与编程纳米器件方面具有较大潜力。然而,聚合物/DNA复合纳米结构的表征是一个急需解决的难题。经典的聚合物分析手段,例如SEC, NMRDLS很难应用到无论是体积或者数量都超小的DNA折纸上。琼脂糖凝胶电泳可以定性分析聚合物对DNA折纸结构的影响,但是无法表征其结构的完整性,更无法得到结构的细节信息。因此必须结合用来表征物体结构信息的手段,例如AFMTEM。但是为了精确表征纳米尺度的DNA折纸,TEM必须在高能量环境操作,这会对其结构造成一定的损伤。而且TEM样品制备过程中,随着样品的干燥,其结构也会发生不可预测的改变。最能真实表征DNA折纸结构的技术莫过于在液相环境下的AFM表征。另外,还有一些间接的表征手段,例如FRET,可以用来监测构象转变。然而,对聚合物/DNA复合纳米结构的性质表征仍然是一个挑战。只有探索出更多聚合物/DNA复合结构的性质,才能开发其应用潜力。

Ulrich S. Schubert, Nadine Hannewald, Pia Winterwerber et al. DNA Origami meets polymers A powerful tool for defined nanostructure design, 2020, Angew Cheme, https://doi.org/10.1002/anie.202005907

2020年9月4日 09:31
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