Welcome to the Han Lab

核酸分子工程与纳米技术实验室

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NAT COMMUN丨DNA“折纸”支架上主动生成的纳米空腔用于程序化催化

 

作者:晁丹丹

实现二维和三维DNA折纸纳米结构的程序化组装是DNA纳米科技的一项重要进展。利用碱基互补配对原则,DNA链可以组装各种形状的折纸结构。通过在DNA折纸上修饰核酸链,还可使其实现功能化。比如,在DNA折纸上,作为锚定位点的核苷酸链可以定点沉积聚合物、蛋白及纳米颗粒。基于链置换反应,在DNA折纸上还可实现一系列动态变化,如:DNA行走机器人,电场控制的机器手臂等。除此之外,DNA折纸结构还可应用于可编程的催化反应,可控的药物释放,逻辑门的运行及传感等生物方向。

但是,这些功能化折纸结构大多涉及折纸自下而上的修改,折纸的边缘修改,或将折纸折叠成管。其中,具有纳米空腔(孔洞或桶)的折纸结构通常被当作抑制剂或者通道来指导化学转化。然而,这些空腔都是通过被动组装而成。在这篇文章中,作者通过巧妙地设计,利用金属离子依赖的DNA酶(催化核酸序列)或光作为触发剂,在折纸上自主生成纳米空腔,并在空腔中实现了程序化和可转换的催化作用。具体说来,作者利用Zn2+或Pb2+依赖的DNA酶基质设计了锁定在折纸支架内的“窗口”结构域。在Zn2+或Pb2+存在的条件下,“窗口”域可实现程序解锁,即“窗口”会打开,纳米空腔主动生成,催化过程可在空腔中程序化进行。此外,利用光异构化偶氮苯修饰锁将“窗口”域集成到折纸支架中。顺反位偶氮苯的循环光异构化导致纳米空腔的可逆开启和闭合,并导致纳米空腔催化过程的循环光诱导切换。

一 、在DNA酶的作用下,程序化地主动生成纳米空腔

 

图1. DNA酶驱动折纸上纳米空腔主动生成。(a) DNA折纸N上的“窗口”域由关闭到打开的作用机制。(b)在DNA酶及Zn2+共同存在下,L1被剪断。在此基础上,加入发夹结构H1,H2,“窗口”被打开,纳米空腔生成。(c)DNA折纸N未打开时的AFM图像。(d)DNA折纸N上的“窗口”打开时的AFM图像。(e)在2μm*2μm的扫描区域,统计得到“窗口”打开的比例约为70 %。(f)DNA折纸M(由四个发夹结构标记)上的“窗口”域由关闭到打开的作用机制。(g)在DNA酶及Pb2+共同存在下,L2被剪断。在此基础上,加入发夹结构H1,H2,“窗口”被打开,纳米空腔生成。(h)DNA折纸M未打开时的AFM图像。(i)DNA折纸M上的“窗口”打开时的AFM图像。(j)在2μm*2μm的扫描区域,统计得到“窗口”打开的比例约为72 %。

 

 

2. DNA折纸NM在两种不同DNA酶的作用下,选择性的生成纳米空腔。其中,AFM图像下有白色亮点的为折纸M,无亮点的为折纸N

 

二、 DNA酶驱动纳米空腔内的程序化催化反应

 

图3. Nf、Mf分别为Zn2+、Pb2+依赖的DNA酶催化体系。(a图左侧一列)Nf在DNA酶、Zn2+及发夹结构H1、H2存在的条件下,其上的“窗口”被打开,Khis和Ehis两者之间可以发生反应,Ehis发夹结构被打开。由于Ehis中包含组氨酸依赖的DNA酶序列,在组氨酸存在的情况下,发夹结构S被剪断,发出FAM绿色荧光。(a图中间一列)Mf DNA酶、Pb2+及发夹结构H1,H2存在的条件下,其上的“窗口”被打开。在K+、血红素的作用下,G1、G2两条链组装形成K+稳定的血红素/G-四连体辣根过氧化物模拟DNA酶,它可以催化H2O2将Amplex 红氧化成间二苯酚荧光产物。(a图右侧一列)以上两种情况同时发生。(b)荧光输出(FAM和/或间苯二酚):I:Nf和Mf折纸混合物;II:用Zn2+处理的Nf、Mf折纸混合物,并在纳米空腔里活化组氨酸依赖的DNA酶;III:用Pb2+离子处理Nf、Mf折纸混合物,并在纳米空腔活化血红素/ G-四联体DNA酶;IV:Zn2+离子和Pb2+离子处理折纸混合物。(c)组氨酸依赖的DNA酶的催化活性(i)在Nf的纳米空腔里;(ii)在均一的缓冲溶液中。(d)血红素/G-四联体DNA酶的活性(i)在Mf的纳米空腔里;(ii)在均一的缓冲溶液中。

 

 光诱导纳米空腔可切换的打开与关闭

 

图4. DNA折纸上光控可切换的空腔开关。其中,光异构化偶氮苯修饰的寡核苷酸链作为光引发剂用于可逆的纳米空腔打开和关闭。(a)在折纸O上,L3/L3’及L4/L4’将“窗口”固定在O上。反式偶氮苯穿插在两条双链的碱基对中,使双链更加稳定。当入射光波长为365nm时,反式偶氮苯转变为顺式偶氮苯。在发夹结构H3、H4存在时,“窗口”被打开。相反,当H3、H4被置换,光照波长>420nm时,“窗口”关闭。(b)折纸O未经光处理前的AFM图像。(c)折纸O经光处理后的AFM图像。(d)折纸O经光循环照射的AFM图像。(e)将整个体系用于催化过程。

此研究介绍了在DNA折纸上自主生成纳米空腔,并在空腔中实现程序化催化的方法。第一种方法是通过金属离子(Zn2+、Pb2+)依赖的DNA酶序列作为打开空腔的钥匙,第二种是通过偶氮苯在光的作用下发生顺反异构主动生成空腔。此研究除了对纳米技术的影响,如在折纸瓦片上设计纳米孔作为程序化催化转化的受限区域外,还强调了这些纳米结构的进一步应用。例如,通过对主动折纸筏的适当设计,可以设想对不同大小的纳米孔图案进行程序解锁。这种纳米孔阵列可用于多路传感。此外,在工程纳米载体中加入不同的酶或等离子体纳米颗粒,可以提供生物催化的多种方法。

Active generation of nanoholes in DNA origami scaffolds for programmed catalysis in nanocavities. Jianbang Wang, Liang Yue, Ziyuan Li, Junji Zhang, He Tian & Itamar Willner*. NATURE COMMUNICATIONS, (2019) 10:4963. DOI: 10.1038/s41467-019-12933-9.

作者简介:

Itamar Willner是以色列科学院院士、德国科学院院士、欧洲科学院院士、以色列耶路撒冷希伯莱大学教授。他是光电化学生物传感领域的国际著名科学家,其研究领域涵盖分子电子学和光电子学、纳米技术、生物电子学和生物传感器、光生物电子学、纳米生物学、超分子化学、纳米化学、光化学等多个前沿学科交叉领域。在Science, Nature, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nano. Lett., Adv. Mater.等国际著名学术期刊发表论文670余篇,专利30余项。

2020年8月26日 13:45
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