DNA nanotechnology

Methods and protocols

DNA纳米技术

方法与操作

编 者：Giampaolo Zuccheri

Bruno Samorì

出 版 社：科学出版社

索 书 号：Q523/D418s/2014/Y

藏书地点：武大外教中心

纳米科学是研究结构尺寸在1~100nm 范围内物质性质和应用的科学,从２０世纪８０年代末诞生起就受到了全世界科学家的青睐。原子和分子的集合体一般都处于纳米尺度，能够表现出特殊乃至与宏观物体截然不同的物理、化学性质。因此，直接操纵原子、分子来构建具有特定功能的纳米结构、纳米材料和纳米器件成为了纳米科学研究的焦点。DNA是脱氧核糖核苷酸的简称，是主要的遗传物质，对遗传信息的储存与传递有着极其重要的作用。1953年，Watson和 Crick利用 Ｘ 射线晶体衍射技术成功推测出DNA的双螺旋结构，随后碱基互补配对原则也被提出。1982年，Seeman提出DNA能够通过碱基互补配对原则形成特定的结构，而且单个的结构可以通过粘性末端形成复杂的二维或三维结构。这表明DNA不再只是遗传物质，还能作为一种天然纳米材料构建各类功能结构和纳米器件，Seeman提出的这一设想是 ＤＮＡ纳米技术的核心。此后，ＤＮＡ 分子引起了纳米科学领域的广泛关注，研究人员设计和合成了各种各样的功能DNA和不同的DNA结构，ＤＮＡ 纳米技术也渗入到众多领域。典型的DNA纳米结构共分为三种，天然DNA纳米结构——G-四聚体、人工DNA纳米结构——DNA折纸术、功能DNA纳米结构——核酸适配体。G-四聚体（Ｇ－quadruplex）不同于遵循 Ａ－Ｔ、Ｇ－Ｃ碱基互补配对原则形成的传统DNA双链结构，它是由富含 Ｇ 碱基的单链（或双链、四链）ＤＮＡ 通过分子内（或分子间）相互作用形成的独特四链结构，也叫 G-四链体、G-四联体。1962年，Gellert及合作者通过 Ｘ 射线衍射法证明了鸟苷酸能形成一种四链结构。在这种结构中，四个鸟嘌呤分子形成一个正方形平面（Ｇ－平面），其中每个鸟嘌呤通过氢键相互作用与相邻两个鸟嘌呤连接。富含 Ｇ 碱基的DNA在某些低价态阳离子的稳定作用下能形成 G-平面，而且由于 Ｇ碱基在DNA链中的连续分布，G-平面能够堆积成四链结构，即G-四聚体。DNA折纸术（DNA origami）是利用 DNA分子的特殊结构和碱基互补配对原则，将一条长的环状单链DNA的特定区域进行折叠，并用短链加以固定，构造出预期的结构。ＤＮＡ 折纸术主要通过五个步骤完成：首先构建预期的几何模型和脚手架链，接着将脚手架链的特殊区域进行折叠，再将过量订书钉链与脚手架链结合，然后调整和合并订书钉链，最后退火得到预期的DNA纳米结构。核酸适配体（Aptamer，又称核酸识体、核酸适配子）是一种经过人工合成和筛选的功能 DNA结构。它是通过指数富集的配体系统进化（Selex）技术筛选得到的一类DNA或RNA序列，该序列能够借助氢键、范德华力、疏水作用等分子间作用力形成特殊的三维结构（如发卡、假结、凸环等），从而特异地、高效地与各种靶标物（如金属离子、小分子、蛋白、细胞等）结合。

DNA分子的独特性质，使其成为非常重要的天然纳米材料，在构造功能结构和纳米器件方面有着极为重要的地位。DNA纳米技术目前已经取得了巨大的成就，被广泛应用于分析检测、传感器、疾病诊断与癌症治疗、分子机器等众多领域。但其仍然处于发展的初期阶段，面临着较多挑战，如更高级结构的设计、DNA合成的高成本、DNA合成的纯度限制、DNA自组装易出错等。随着这些问题的解决和DNA纳米技术的飞速发展，DNA纳米技术将在已渗入的领域中有更重要的应用，同时还将在其他新的领域，如DNA计算机、数据储存等方面发挥重要的作用。DNA本身具有稳定的物化性质及独特的结构,如双螺旋、三链、结环、Holliday和多面体等结构。另外,大量的研究结果显示,DNA的空间构象、热力学、原子核和电子动力学都能够促进远距离的电子传输,这些性质使DNA有望成为制作纳米导线和纳米器件的理想材料。其双螺旋结构或其它拓扑结构能够作为支架材料或模板,引导功能性纳米元件的组装,以制备分子级的电子器件。因此,DNA的研究不仅在生命科学领域而且在纳米材料领域都占有极其重要的地位。

本书共由二十二章内容构成。每章都对材料和方法进行了详细细致的描述。内容涵盖DNA纳米结构的理论研究和应用的多个方面。本书内容针对性比较强，适合从事DNA纳米结构相关研究的科研人员和学生阅读参考。

本书目录

前言

贡献者

第一章 自聚集的DNA纳米结构的合成和特征

第二章 DNA纳米结构自聚集的操作及成像

第三章 金属-DNA三角形的自聚集及有合成接头的DNA纳米管

第四章 以DNA为模板的Pd导电金属纳米线

第五章 利用pH诱发的DNA纳米开关在活细胞内获取pH时空变化的方法

第六章 DNA和PNA纳米结构中手性螺旋的控制

第七章 由化学刺激诱导的G-四重态、G-四显性组合和G导线

第八章 四显性组合DNA的准备和原子力显微镜

第九章 基于DNA的长纳米线的合成

第十章 G导线的合成及用金纳米粒的修饰

第十一章 用重复结合基序通过滚环扩增准备DNA的纳米结构

第十二章 在纳米水平限制DNA：纳米制造及生物功能化的表面

第十三章 在光刻图案表面上DNA折叠的金纳米微粒阵列的模板组装

第十四章 DNA修饰的单晶体和纳米多孔硅

第十五章 原子力显微镜作为光刻的工具：用于生物传感的DNA纳米结构的纳米移植

第十六章 纳米电极间DNA分子的捕捉和固定

第十七章 用于DNA和核蛋白质复合体结构分析的DNA长度测量

第十八章 通过光钳用于单分子蛋白质折叠的DNA分子把手

第十九章 用于表面处理的单分子全内反射荧光共振能量转移分析的最佳实践

第二十章 用于单对FRET实验的单核细胞增多工程

第二十一章 利用光钳在单分子上测量DNA和蛋白质的亲和性

第二十二章 用于DNA测序的纳米孔建模

索引

（郑银珍）