面向可控自组装的DNA纳米管可编程AFM操作

"核心"DNA纳米结构的精确定位是实现指定位置的DNA纳米结构可控自组装构建纳米器件或系统的关键难题之一。研究了一种可编程控制的原子力显微镜(AFM)操作方法,通过运用操作过程中参数调控,实现液体环境中柔性DNA纳米结构的可控定位及定向操作。对操作振幅和溶液中Mg2+浓度两个关键参数进行了实验优化。实验采用的是长400 nm和直径约6 nm的DNA纳米管状结构。实验结果表明,在操作振幅为3.5 nm和Mg2+浓度为10 mmol/L的优化控制条件下,应用可编程控制的AFM调控操作方法,实现了液体环境中DNA纳米结构的定位定向操作,且成功率达到80%。

硅表面分子刷图案化及生长DNA纳米管

结合'自上而下'和'自下而上'技术构建微纳米器件是目前纳米科学和技术领域追逐的目标之一。本文首先采用硅氢化反应在硅表面共价偶联引发聚合的活性基团,接着实施表面原子转移自由基聚合(ATRP)反应形成高分子刷poly(PEGMA),采用'自上而下'的光刻技术在硅表面制备功能化的图案,最后利用'自下而上'的DNA自组装技术在图案部分原位生长DNA纳米管。上述组装过程通过多次透射反射红外光谱、凝胶电泳、透射电镜和扫描电镜进行了检测,证实了硅芯片表面定位生长DNA纳米管的可行性。

模版合成DNA纳米管:用于基因和药物输送纳米新技术

利用氧化铝多孔膜作为模板合成了DNA纳米管,DNA纳米管由单链DNA片段杂交在氧化铝多孔膜内以DNA双链杂交组成;药物分子和DNA片段相连后,可把药物分子包覆于DNA纳米管中。加热时,双链DNA纳米管分解,释放出单链DNA分子,以此可实现基因和药物分子的可控输送和释放。

氧化石墨烯-DNA纳米探针用于三磷酸腺苷的检测与药物递送

癌细胞内三磷酸腺苷(ATP)浓度异常与肿瘤发生发展过程密切相关,因此,快速、准确地检测细胞内外ATP水平具有重要意义。盐酸阿霉素(DOX)是一种广泛使用的抗癌药物,能嵌入DNA碱基对,并通过抑制DNA复制和转录诱导细胞凋亡。氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)由于具有毒性低、比表面积大和易功能化,可以有效、稳定地负载DNA纳米探针进入细胞等优点而被广泛应用。然而,复杂环境中的生物分子容易通过物理吸附竞争性结合到GO表面,导致假阳性信号。基于此,提出了一种新型的GO-DNA纳米探针,并将其应用于ATP的检测与抗癌药物DOX靶向递送。以ATP的核酸适配体与其互补链杂交形成双链DNA(dsDNA),并通过G-C碱基对负载DOX,利用互补链延伸的poly A序列吸附到GO表面构建了GO-dsDNA-DOX纳米探针,能极大程度地降低复杂环境中物理吸附引起的干扰,减少假阳性信号产生。ATP与适配体特异性结合会导致DOX释放,根据其荧光“off-on”实现ATP的定量分析,DOX荧光强度与ATP含量在0.08~8.0 mmol/L范围内呈现良好的线性关系,线性方程为IF=3.0897c+129.08,检测限(3σ/k)为0.059 mmol/L,且方法具有良好的选择性和抗干扰能力。细胞毒性及荧光成像结果表明,负载DOX的纳米探针在人乳腺癌细胞(MCF-7)内有明显的药物释放,显著诱导细胞凋亡。该研究建立了一种免修饰、简单和快速的ATP含量检测分析方法,并利用癌细胞内高浓度ATP实现靶向药物递送,降低了对正常细胞的毒副作用,为癌症的治疗提供了新思路。

可编辑DNA纳米花抑制LLC细胞增殖、迁移及侵袭的实验研究

目的:探究载有阿霉素(doxorubicin,DOX)和缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)反义寡核苷酸的DNA纳米花(DNA nanoflower,DF)对小鼠肺癌(lewis lung carcinoma,LLC)细胞增殖、迁移及侵袭能力的影响。方法:通过滚环扩增反应(rolling circle amplification,RCA)合成含有HIF-1α反义寡核苷酸的DHA-DF,并检测其物理特性;负载DOX后获得载DOX纳米花(DOX-loaded DNA nanoflower,DDF)。通过细胞计数试剂(cell counting kit-8,CCK-8)评价DHA-DDF对LLC细胞活性的影响;通过划痕实验和Transwell小室实验检测DHA-DDF对LLC细胞迁移及侵袭能力的影响;通过蛋白质印记实验和定量聚合酶链反应检测LLC细胞HIF-1α的表达水平。结果:DHA-DF为多孔花瓣状球形颗粒,粒径为(421.26±7.90)nm;与游离DOX和DA-DDF相比,经DHA-DDF处理后的LLC细胞HIF-1α蛋白及mRNA的表达量明显下降(均P<0.05),且其细胞活性、划痕愈合面积及侵袭细胞数目明显减少(均P<0.05)。结论:DHA-DDF能有效降低HIF-1α的表达并抑制LLC细胞的增殖、迁移和侵袭,有望为临床肿瘤治疗提供新的思路。

DNA纳米材料用于肿瘤治疗的研究进展

传统的癌症治疗方法仍有很多局限性。随着科学技术的发展,纳米技术的出现为癌症治疗带来新希望。其中,脱氧核糖核酸(DNA)具有高度可编程性、生物相容性、精确的空间控制和协调金属离子的能力等优点,已成为用于生物成像、生物传感和治疗的智能自组装纳米系统的强大工具。近年来,DNA功能化纳米材料快速发展,已经被广泛应用于生物医学研究领域,也为肿瘤治疗带来新希望。本文作者主要综述DNA功能化纳米材料应用于肿瘤治疗的研究进展。

氨基葡萄糖/DNA复合纳米材料的构建及其对Raw264.7细胞功能的影响

目的构建一种无镁离子组装的新型氨基葡萄糖/DNA复合纳米材料,验证氨基葡萄糖能否介导组装DNA纳米管(nanotube,NT),并评价其对体外Raw264.7细胞功能的影响。方法采用梯度退火法,使用Y1、Y2和Y3这3条DNA单链,以氨基葡萄糖(glucosamine,GlcN)为介质组装DNA NT,构建氨基葡萄糖/DNA复合纳米材料(NT^(GlcN))。使用原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)观察其纳米结构,激光动态光散射(dynamic light scattering,DLS)测量该纳米材料的尺寸。选用Raw264.7细胞系,采用CCK-8法测试氨基葡萄糖或NT^(GlcN)的细胞毒性,流式细胞术和激光共聚焦考察细胞对该纳米结构的摄取效率,RT-qPCR测定NT^(GlcN)和NTMg(镁离子介导组装的DNA纳米管)对脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)诱导的巨噬细胞炎症因子(IL-1β、IL-6)表达水平的影响。结果氨基葡萄糖可以成功介导NT^(GlcN)的合成,稳定性较好。AFM表征结果表明,NT^(GlcN)为管状颗粒,均匀地分散在云母表面上;DLS测量表明NT^(GlcN)的直径为(15.26±3.86)nm。细胞实验显示:较之NTMg,巨噬细胞对NT^(GlcN)有更高的细胞摄取效率,NT^(GlcN)处理后细胞存活率更高(P<0.05);NT^(GlcN)处理后,LPS诱导的巨噬细胞炎症因子表达降低(P<0.05)。结论本研究构建的氨基葡萄糖/DNA复合纳米材料具有良好的稳定性、生物相容性和细胞摄取效率;能降低氨基葡萄糖的细胞毒性,并能通过降低Raw 264.7细胞炎症因子的表达来抑制细胞炎症反应。

铜绿假单胞菌flg E基因壳聚糖纳米DNA疫苗的免疫效果评估

为评价铜绿假单胞菌flgE基因壳聚糖纳米DNA疫苗的免疫效果,本研究经PCR扩增flgE基因,将其插入真核表达载体pcDNA3.1(+)中,构建flgE基因的重组质粒pflgE,进一步以壳聚糖为佐剂制备了纳米DNA疫苗CpflgE,通过测定OD260nm值检测纳米DNA疫苗的包封率、加入DNA酶后经琼脂糖凝胶电泳检测其抗DNA酶降解的能力、37℃恒温静置1 d,3 d和5 d后经琼脂糖凝胶电泳检测稳定性。结果显示CpflgE的包封率为94.69%,可有效抵抗DNaseⅠ的降解,具有较强的稳定性。以pflgE和CpflgE免疫BALB/c小鼠,共免疫3次,同时设置灭活疫苗免疫组、铜绿假单胞菌鞭毛蛋白亚单位疫苗免疫组以及PBS对照组。免疫后不同时间经间接ELISA测定各组小鼠血清抗体水平,MTT法检测小鼠脾淋巴细胞增殖水平,采用检测试剂盒测定各组小鼠血清中IFN-γ、IL-2和IL-4的水平。结果显示,Cpflg E诱导小鼠的血清抗体水平、脾淋巴细胞增殖水平及血清中IFN-γ、IL-2和IL-4的浓度总体上虽均低于灭活疫苗,但与鞭毛蛋白亚单位疫苗相当,且显著高于pflgE (P<0.05)。三免两周后以铜绿假单胞菌强毒株(1.35×10^(10)cfu)对各组小鼠进行攻毒试验,测定攻毒后各组小鼠的保护率,结果显示,pflgE组、CpflgE组、鞭毛蛋白疫苗组和灭活疫苗组的保护率分别为57.1%、76.2%、81%和95.2%。本研究首次证实壳聚糖作为载体和佐剂可以显著提高铜绿假单胞菌flgE基因DNA疫苗诱导的免疫应答水平,为铜绿假单胞菌新型DNA疫苗的研制提供了参考依据。

基于DNA纳米蛋白循环结合-释放器的构建与研究

利用外界光源条件的改变,构建能够可逆调控DNA的结构元件,在可以绑定蛋白分子的DNA适配子上,实时可逆调控DNA适配子的二级结构,构建出一种新型的基于光源刺激的DNA纳米蛋白循环结合-释放器,对数学中各个形变参数进行计算。研究表明:构建的DNA纳米蛋白循环结合-释放器灵敏度高,可操作性强,可以实现分子生物学工具的发展应用和重要生物、医学问题研究的有机结合。

DNA模板荧光金属纳米团簇的合成及应用

荧光金属纳米团簇的尺寸介于金属原子和纳米颗粒之间,特殊的结构和尺寸赋予了金属纳米团簇一系列优异的荧光特性,如荧光强度高、抗光漂白性能强、较大的斯托克斯位移。脱氧核糖核酸(DNA)由于其独特的结构和可设计的序列而成为合成金属纳米簇的理想模板。DNA模板的金属纳米簇主要包括DNA模板的银纳米团簇(DNA-AgNCs)、铜纳米团簇(DNA-CuNCs)、金纳米团簇(DNA-AuNCs)等。DNA模板的金属纳米团簇作为一种新型的荧光纳米探针在生物传感和生物成像等领域具有较大潜在应用价值。基于先前对DNA模板的金属纳米团簇的研究,系统总结了DNA模板的金属纳米簇的制备、性质和在生物传感以及生物成像中的应用。最后,讨论了DNA模板的金属纳米簇的未来发展研究重点和前景。

间充质干细胞工程化的DNA纳米结构构建及其在小鼠肺组织靶向递送中的应用

目的将三维管状DNA折纸纳米结构(DONs)修饰于间充质干细胞(MSCs)膜表面得到DONs@MSCs,利用MSCs归巢肺组织的特点实现DONs向小鼠肺组织的靶向递送。方法利用计算机辅助工具进行DNA序列设计,得到三维管状DONs。利用原子力显微镜(AFM)表征DONs形貌,并通过琼脂糖凝胶电泳(AGE)验证功能基团的上载。采用生物正交代谢糖工程在MSCs细胞膜表面修饰荧光标记的DNA单链(ssDNA)。根据碱基互补配对原理,将DONs修饰在MSCs膜表面。利用共聚焦显微镜和流式细胞测量术分别检测单链以及DONs的上载情况,并利用活体成像系统观察DONs在小鼠肺组织中的分布。结果成功组装得到DONs。MSCs膜表面成功修饰单链,并成功杂交DONs得到DONs@MSCs。相比静脉注射DONs,DONs@MSCs在小鼠肺部的富集明显增强。结论DONs@MSCs能够用于DONs向小鼠肺组织的靶向运输,该方法为DONs后续在肺组织递送药物开发了新的策略。

光镊与DNA纳米技术在膜生物学研究中的应用

生物膜是生命活动中信号传导和物质运输的平台。近年来,多学科的交叉应用为膜蛋白介导的膜融合与分裂、囊泡形成与分泌,以及脂质代谢的调控机制等膜生物学研究带来了新的信息。例如,单分子光镊力谱方法通过精准、定量地检测蛋白与膜的相互作用,为在时空维度上理解这一生物过程的复杂调控机制提供了强有力的手段。此外,DNA纳米技术通过构建纳米尺度可编程的自组装结构,提供了可精确修饰与功能化的分子器件。经过疏水修饰的核酸纳米器件可以作用于磷脂膜或生物膜,进而对膜进行表面改性、诱导形变、控制理化参数以及跨膜通信等调控操作。该领域的进步将为细胞生物学机制研究、分泌囊泡的分析检测、人工脂质体的制备优化、新型分子载具开发以及新型药物开发提供特色的工具手段,并构建新颖的体系平台助力合成生物学、化学生物学以及分子医学的发展。

DNA存储技术:挑战与未来

随着全球数据呈现指数级增长,当前的信息存储技术面临维护成本高昂、存储寿命有限等多个缺陷,逐渐无法满足日益凸显的需求。因此,迫切需要引入新的信息存储方法来解决这一问题。DNA作为一种天然的遗传信息载体,具备高存储密度、潜在低维护成本和长寿命等优势,因此被视为一种有潜力的新型信息存储介质。该文对DNA数据存储技术的基本原理和流程进行了概述,并回顾了其历史发展。同时,对当前基于DNA存储的领域仍面临的挑战进行了总结,如缓慢的数据写入和读取速度等,以及应对这些挑战的一些潜在策略。最后,为了满足全球对新存储方法的需求,该文指出了DNA数据存储技术的未来发展方向。

基于DNA折纸订书钉链折叠的信息加密策略

DNA折纸结构是蕴含复杂序列折叠信息的纳米结构,为发展具有超大密钥空间的信息加密技术提供了新思路。该文设计了一种能够充分发挥DNA折纸结构信息特征的信息加密策略,与先前利用DNA折纸骨架链折叠的思路不同,该文基于订书钉链集合的非线性组合特征,提出通过探索其更为广阔的折叠多样性来实现更大的密钥空间。该策略的密钥空间计算模型分解为订书钉链的结合域模式、协同折叠以及独立性3个因素,分别考虑了订书钉链的链内区段分布性、链间排布多样性以及序列特异性。以上3种因素的组合,使单位几何空间内DNA折纸的折叠多样性更有效地转化为密钥空间。该策略是一种基于生物分子热力学的加密方式,为扩展信息安全的应用场景提供了新的可能。

DNA存储系统中的数据写入

世界的数字化给人们的生活带来了极大的变化,但与此同时,史无前例的数据激增使得信息存储面临的挑战日益严峻。随着全球数据总量的指数级增长,传统存储介质将无法满足数字化带来的存储需求。使用DNA分子作为基本载体的信息存储展现出高存储密度、低维护成本和易于化学修饰等独特优势。DNA存储主要包括编码、写入、保存、检索、读取和解码六个主要步骤,其中数据的写入是实现DNA存储功能的基础。本文首先介绍DNA存储系统中体外写入数据的策略方法,主要分为将数据写入DNA序列和写入DNA结构两个部分,接着概述体内写入数据技术的发展,最后将讨论DNA存储系统中数据写入面临的写入成本高、写入速度慢等挑战,并对大规模合成高纯度DNA、改进生物酶等具有前景的应用技术进行展望。

DNA纳米结构用于肿瘤细胞生物传感和药物递送的研究进展

早期准确检测和诊断是癌症治疗成功的前提和关键。解决非特异性给药和耐药性是提高化疗效果的重要途径。DNA纳米结构是以DNA为材料,基于碱基互补配对原则,采用“自下而上”的精确设计所得到的二维或三维多种形状的纳米结构,现已逐渐应用于肿瘤领域。本文对近年来DNA纳米结构用于肿瘤细胞生物传感和药物递送方面的研究进展作一综述。

靶向细胞器的DNA纳米材料用于疾病治疗

在亚细胞器层面靶向传递功能性物质一直是生物医学领域的一项巨大挑战。精准的细胞器靶向进行药物递送有望改善耐药性并进一步提高疾病治疗效果,对临床疾病治疗具有重要的现实意义。在药物递送的各种策略中,结构精准可控、具有高度可编程性的DNA纳米结构可以作为将各种物质传递到细胞器的合适平台。介绍了DNA纳米结构靶向不同细胞器的发展进展,突出了其在疾病治疗中的应用,并讨论了其未来发展趋势。

DNA修饰棒状量子点

以DNA纳米材料为模板实现多种分子丰富、可控的定位组装,并探究纳米尺度分子间多种相互作用。其中,量子点作为一种纳米级别的半导体材料,以其优异的物理性质引起了人们的广泛关注。特别是棒状量子点(Quantum Nanorod,QR)具有显著的激子偶极矩,DNA指导的量子点定位组装可以研究激子间复杂相互作用等新颖物理行为。但由于棒状量子点表面配体的疏水性,其与DNA纳米结构的协同组装较为困难。本文探究了一种棒状量子点表面修饰的方法,利用修饰DNA的聚合物链和QR表面疏水配体之间的疏水相互作用实现DNA对棒状量子点的表面修饰,得到了DNA修饰的棒状量子点,为后续棒状量子点与DNA纳米结构的组装打下了坚实的基础。

DNA纳米结构在药物转运载体和智能载药中的应用进展

纳米材料具有荷载效率高、靶向性能好、半衰期较长等优点,非常适于作为药物转运载体,可有效提高药物的水溶性、稳定性和疾病治疗效果。目前,开发具有良好生物相容性、可控靶向释放能力和精确载药位点的理想药物转运载体,仍是该领域存在的挑战性问题和当前研究的重点。自组装DNA纳米结构是一类具有精确结构、功能多样的纳米生物材料,具有良好的生物相容性和稳定性、较高的膜渗透性和可控靶向释放能力等优点,是理想的药物转运载体和智能载药材料。本文总结了DNA纳米结构的发展历程、DNA纳米结构作为药物转运载体的研究现状、动态DNA纳米结构在智能载药中的应用进展,并对其发展前景进行了展望。

一个检测痕量汞离子的鱼精DNA修饰纳米金共振散射光谱法

在pH 7.0 Tris-HCl缓冲溶液及0.017 mol.L-1NaCl介质中,鲱鱼精DNA与10 nm的金纳米粒子形成较稳定的结合物使得金纳米粒子不聚集,体系的散射信号较弱。当有Hg2+存在时,DNA与Hg2+形成更稳定的DNA-Hg2+结合物,金纳米粒子聚集导致572 nm处的共振散射峰增强。在3.87μg.mL-1金纳米粒子-11.7μg.mL-1DNA-pH 7.0~17 mmol.L-1NaCl条件下,Hg2+浓度c在3.3~3 333.3 nmol.L-1范围内与572 nm处的共振散射强度增强值ΔI572 nm成良好线性关系,其回归方程、相关系数、检出限分别为ΔI572 nm=0.019c+5.0,0.999 1,2.5 nmol.L-1。该法用于水样分析,结果与冷原子吸收光谱法一致,相对标准偏差为5.1%。