DNA纳米机器的研究与应用

DNA纳米机器的研究与应用

蒋冰清滕德铃杜杰（通讯作者）

海南大学材料与化工学院海口570228

摘要：本文介绍了DNA纳米机器在生物医学领域的研究与应用。DNA纳米机器是指由DNA分子构造的自组装器件。DNA纳米机器对生物医学领域有着至关重要的意义，尤其在DNA生物传感器，非病毒基因传递，靶向给药，细胞内物质输运，纳米尺度的自组装等方面。

ThispaperintroducestheresearchandapplicationofDNAnanomachinesonbiomedicalfields.DNAnanomachinesarebiomolecularassembliesthatperformmachine-likefunctionsatthemolecularlevel.DNANanomachineshaveavitalsignificanceinthebiomedicalfields，especiallyinDNAbiosensors，non-viralgenedelivery，targeteddrugdelivery，intracellulartransportandnanoscaleassembly.

1DNA纳米机器简介

随着科技发展，不同领域相互渗透交互，DNA分子独特的分子识别特性已被用于设计多种纳米机械装置，在可逆的几个不同的构象之间进行切换。

利用碱基的精确配对和序列可编程的特性，人们可以将设计好的DNA序列编织成一维线段、二维网格乃至三维的多面体结构。2006年加利福尼亚理工学院的研究人员Rothemund等[1]更是利用DNA组装出“笑脸”，“雪花”等复杂的二维图案；同年，上海交通大学Bio-X中心和中科院上海应用物理研究所的樊春海等[2]利用类似的DNA“折纸术”自组装出纳米级的中国地图，向世人展现了DNA这一纳米材料的独特魅力。

作为一种特殊的高分子，DNA有精确配对、相互识别的特点，可实现DNA纳米尺度构象或构型的可控转换。从控制条件大体上可以将DNA分子机器分为两大类：一类是基于链交换反应的装置，即利用DNA双链互补配对的性质，将特异性的DNA单链作为燃料来驱动DNA机器的结构变化。第二类是环境刺激响应的装置，这类分子机器的构象取决于溶液的环境条件。DNA分子的二级结构变化不仅局限于单双链间的相互转化，其丰富的结构和构象除了可以对特异性的识别序列进行响应，还可以对不同的环境因素做出响应，且响应速度更为迅捷。基于这一原理，人们已经设计出多种环境条件控制的DNA分子机器。这些控制条件包括：离子浓度调控、pH调控、温度调控、光调控等等。

2DNA分子机器的应用

2.1分子开关和分子马达的应用

利用基于G-quadruplex的四链DNA马达，Simmel等[3]将一种两层的G-quadruplex序列用于可控释放/结合“凝血酶”（thrombin）。这一工作在未来可能被用于血液疾病或心血管疾病的检测或治疗当中。来自以色列希伯来大学的Willner等[4]同样利用核酸适配体与血晶素（hemin）的识别作用，将其与一个发卡（hairpin）结构序列的DNA联合，可识别特异的DNA序列或检测端粒酶的活性。

普渡大学的Mao研究组[5]将一种具有RNA切割活性的DNA酶连接在一个镊子状DNA装置上，从而设计出一个可以自动剪切溶液中所有目标RNA的新型纳米机器。将该机器与分子生物学中的RNAi技术结合有望发展出一类新的基因疾病治疗技术。

2.2定向运动的分子机器

前面提到的DNA分子机器都是在固定位置发生的可控结构转换，而在生物体中很多分子运动是定向的，例如：微管分子自组装的脚踏车式生长，肌动蛋白与肌球蛋白间定向拉伸造成肌纤维的定向收缩等等。因此，摆在人造分子机器面前的一个极具挑战性的工作就是如何让其实现定向的长距运动。虽然与蛋白质相比DNA分子的结构相对简单，但通过链交换反应或构象变化，人们仍相信利用DNA构建的分子机器同样可以实现沿设定方向的运动。

2004年Yin等[6]利用3种DNA酶以及DNA设计出一种巧妙的DNA行走装置，DNA“行走者”可以完成其使命沿着DNA“轨道”从一端走到了另一端。整个过程中的两步连接反应利用了ATP作为能量来源，同时也保证了每一步的不可逆性，而反应的方向性是由两个限制性内切酶决定的。与利用酶促反应行走的装置不同，Pierce和Shin[7]设计出一种更为简单的纯粹利用DNA作为结构物质和燃料物质的行走装置。可以通过加入燃料序列的顺序自由地控制“行走者”在轨道上向两个方向运动。

定向运动的实现使得DNA为基础的分子机器有了更为广阔的应用前景。例如：利用“行走者”携载其他分子，可以实现微观世界物质的定向运输，利用DNA分子齿轮可能构建出精巧的联动装置甚至分子机器人。通过更为精细的序列设计和条件优化，这样的梦想都有可能实现。

3未来发展方向

DNA具多样的二级结构且各结构间可发生可控的相互转化，利用这一特点人们在纳米尺度发展了各式各样的DNA纳米机器。随着纳米技术的不断发展和各学科的进一步融合，越来越多的DNA分子机器将被设计出来并实现更为广泛和深远的应用。

参考文献：

[1]RothemundPW.Nature，2006，440，297-302.

[2]钱璐璐，刘强，樊春海.科学通报，2006，51（24），2860-2863.

[3]DittmerWU，ReuterA，SimmelFC.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.，2004，43，3550-3553.

[4]XiaoY，PavlovV，NiazovT，DishonA，KotlerM，WillnerI.J.Am.Chem.Soc.，2004，126，7430-7431.

[5]ChenY，WangM，MaoCD.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.，2004，43：3554-3557.

[6]Yin，P.，Yan，H.，Daniell，X.G.，Turberfield，A.J.，Reif，J.H.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.，2004，43，4906-4911.

[7]ShinJS，PierceNA.J.Am.Chem.Soc.，2004，126，10834-10835.

基金项目：国家自然科学基金（21404028）

通讯作者：杜杰（1980-），男，博士，副教授，研究方向：DNA生物传感器。