[发明专利]通过蛋白质和DNA剂可控组装和解组装的纳米颗粒体系

说明书

本申请是国际(PCT)申请，其要求于2008年6月2日提交的美国临时申请号为61/058,037的优先权，将其以引用方式合并在本文中。

本发明由美国能源部资助，以合同号DE-AC02-98CH10886在政府支持下作出。政府对本发明具有一定权利。

技术领域

本发明涉及利用肽、蛋白质和其它寡聚体提供一旦检测到靶分子正常猝灭的纳米颗粒荧光可能被恢复的一种方法或装置。此外，本发明提供了无需在检测之前标记靶分子即可进行靶分子检测的结构和方法。

背景技术

纳米技术研究及其结果已用于许多不同的研究领域，并且应用于科学研究和工业技术，如纳米电子器件、传感器和催化剂。处于新领域的能源、医疗和安全相关的纳米技术将依赖于基于纳米颗粒技术和生物科学的整合和优化，从而设计用于越来越清洁和更高效的能量转换和储存的混合(杂交)材料，以及具有更强的灵敏度的生物传感器。这样的整合不仅需要精确控制纳米颗粒尺寸、形状、组成和表面特性，而且还需要在生物体系容许的条件下用受控动力学和最终组装形态自组装和解离纳米颗粒的能力。

目前，利用生物构件(building blocks)自组装具有金属(Au、Ag、Pt)、半导体(CdSe、CdS、ZnS、GaAs)、和磁性(Fe₂O₃)特性的纳米颗粒通过两种主要途径来实现：(i)基于DNA的体系和(ii)基于蛋白质-(肽-)的体系。DNA的显著特异性和可设计的相互作用允许DNA结合的纳米颗粒的自组装和复杂结构的构建。它们的复杂性和功能可以通过并入起生物传感器作用或起复杂支架的形成体(organizer)作用的蛋白质而扩展。基于DNA的自组装体系已表现出作为生物传感器的很大潜能。已证明肽与无机表面的特异性结合，并且通过利用噬菌体展示体系可选择这些肽。而且，该肽已经成功地用于纳米结构的构建和无机纳米颗粒的自组装。由于蛋白质的功能多样性，基于DNA和蛋白质的系统的结合在设计功能性混合(杂交)纳米材料方面受到相当大的关注。

利用DNA的纳米颗粒的自组装和可设计的复杂结构已经被证明。DNA诱导的纳米颗粒的自组装首先在1996年由Mirkin及其同事在其″ADNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopicmaterials，″Nature，382(6592)：p.607-609，1996，和Alivisatos及其同事，″Organization of′nanocrystal molecules′using DNA，″Nature，382(6592)：p.609-611，1996的开创性论文中被介绍，这两篇文章都以引用的方式整体合并在此。DNA的特异性杂交能力用于纳米颗粒的自组装，在纳米颗粒上化学固定了单链DNA(ssDNA)。聚集通过加入与结合到所述颗粒的ssDNA互补的单链接头DNA获得。ssDNA结合的纳米颗粒的聚集伴随有物理和光学特性的变化，并用于检测DNA。加入与接头互补的DNA片段导致聚集物解离。可替换地，该体系可设计成待检测的DNA片段充当该接头。取决于序列和长度的DNA熔化特性使得可以通过提高温度来逆转聚集物的自组装(图1)。序列依赖性熔化特性允许利用ssDNA结合的纳米颗粒检测单点突变。

设计用于在3’和5’端互补结合从而形成发夹结构的金纳米颗粒猝灭的荧光寡核苷酸已用作分子信标，用于检测与该发夹结构杂交的靶DNA，导致猝灭的荧光发射。

微阵列技术常规地用于高通量量化大量不同的DNA或RNA片段。基于阵列的体系需要通过C-DNA的合成标记靶DNA或RNA。ssDNA-结合的纳米颗粒已用作探测它们的靶分子的候选物。

另外，DNA的特异性相互作用已用来创建DNA构件，和构造复杂几何结构和形态的构件的组装体。

发明内容