[发明专利]一种用于空间定向组装生物分子保持其生物活性的刚性超大DNA四面体的构建及应用

说明书

本发明提供了一种用于空间定向组装生物分子保持其生物活性的刚性超大DNA四面体的构建及应用。所述刚性超大DNA四面体由12条DNA探针组装而成，其是在普通四面体骨架上每个面插入一个“Y”型结构框架，该结构组装效率接近100%。与普通四面体结构相比，其体积、结构刚度和稳定性都增加了。通过设计具有粘性末端的RDT结构（s‑RDT），s‑RDT可以在基质表面进行精准定向组装和解离，并且通过荧光共振能量转移来进行可视化观察。此外，s‑RDT上可以装配各种生物分子并保持其原有分子活性。RDT改善了普通四面体的空间结构，证明其空间构型的变化可以媲美复杂的DNA折纸结构。此外，面上插入Y型骨架来构建刚性线框核酸纳米结构的构建技术为DNA核酸纳米技术的应用提供指导。

技术领域

本发明属于纳米材料技术和生物技术领域，具体涉及一种用于空间定向组装生物分子保持其生物活性的刚性超大DNA四面体的构建及其应用。

背景技术

有序组装是目前许多领域的重点研究方向之一，有序组装的方法可以为新兴领域提供新的工具。Ben-Sasson等人对生物活性二元蛋白进行了2D有序组装，这一策略使研究人员意识到生物材料的有序组装可以为未来生物医学和生物材料的发展带来新的曙光。化学和材料科学领域的一个巨大挑战就是构造一个组件，这个组件必须精确控制每个子组件的位置以实现给定的特性。人工生物分子机器通过不同模块的精确设计和每个模块的联合作用来实现更复杂的功能。DNA纳米技术的第三个分支——生物导向DNA纳米技术的出现，已将新鲜血液注入DNA纳米技术，用于探索DNA纳米材料在各种生物系统中的组装和相互作用。目前，分子的精准定向组装已引起许多领域研究人员的关注。例如，通过胶体结构的精准定向组装来控制局部相互作用，并用它来模拟生物复合物的精确组装；病毒感染过程也需要高度定向的相互作用才能与细胞位点结合。随着DNA纳米技术的发展，研究人员进一步利用DNA来改变、操纵以及调节物质的功能，并使用合成的“非天然”DNA纳米材料来创造满足预期的纳米机器。例如，McMlillan等人使用DNA来控制蛋白质的定向组装，并且可以获得具有定向结合功能化的蛋白质组装结构。周等人使用DNA作为支架，对病毒蛋白进行可编程的动态调节和多级有序组装，该方法可以为构建更复杂和功能性的纳米结构提供参考。此外还有许多研究表明，DNA纳米结构可用于研究某些膜蛋白的功能，并且DNA的可编程性使其比天然膜蛋白更容易操纵。

核酸探针的识别能力很大程度上取决于其表面与靶受体之间的取向和距离。但是核酸在底物表面的组装容易受许多因素的影响，例如链本身的静电排斥、碱基对底物的吸附亲和力等，这些因素会导致DNA纳米结构在底物表面形成一定的复杂结构，限制了核酸分子的可及性。因此，合理的DNA纳米结构设计可以有效地控制探针的密度和取向，从而增强探针的生物分子识别能力。为了提高核酸探针的分子识别能力，研究人员通过控制探针分子的构象、密度、底物表面的大小、反应溶液的颗粒强度等，在一定程度上提高了核酸探针的分子识别能力。三维DNA纳米材料的出现弥补了核酸探针表面可及性和空间位阻的缺陷。同时，三维DNA纳米结构可以在细胞中形成从而参与生物体的生命活动，如G-四链体，这是许多生物反应的基础。同时，3D DNA纳米结构具有空腔结构，其结构可以通过碱基控制，这一优点可以有效地封装和释放空腔结构加载的药物或者其余材料，为许多研究提供了强大的工具。

DNA四面体已被证明是一种具有刚性和稳定性的三维DNA纳米结构，可以有效地促进生物分子在基底表面上的锚定，控制探针之间的空间距离和空间取向。此外，DNA四面体是由四个顶点、六个边缘和四个面组成的三维纳米结构，丰富的位点为各类官能团的修饰提供了潜力。例如，基于高度可编程和拓扑控制的特性，庄等人实现了DNA四面体的异质组装，构建了DNA四面体介导的靶向遗传因子递送系统。基于DNA四面体固有的结构特性的基础上，本章提出了一种刚性DNA四面体材料(简称RDT)，可用于基底表面的精准定向组装。该刚性DNA四面体纳米材料由12条ssDNA组装而成，DNA四面体的四个侧面具有Y形支架，这种结构使构建的RDT材料的刚性比传统的四面体更强。脂质体是一种具有一定流动性的磷脂双层结构，可以完美模仿细胞膜的特性，并在其表面精确组装DNA纳米结构可以保持其自然结构。