dna纳米结构的生物安全性研究

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1、DNA纳米结构的生物安全性研究1引言DNA不仅是生命的密码，还可以作为制造纳米级构件和机器的通用元件，基于“自下而上”(bottom-up)的原则可以将DNA分子组装成高度有序可控的DNA纳米结构.自Seeman教授1982年首次制备出DNA纳米结构以来，DNA纳米技术的研究已经取得了突出的进展.目前，各种设计精巧而复杂的DNA纳米结构被应用于分子检测、肿瘤诊断、生物医药、药物输运、生物分子组装、生物传感器、纳米分子机器、靶向治疗等诸多领域.在DNA纳米结构被广泛应用的同时，其安全性包括细胞水平的摄取和毒性，动物水平的吸收、分布、代谢和排泄等也越

2、来越受到研究人员的重视.全面了解DNA纳米结构的安全性，对于优化DNA纳米结构的设计，将其更好地应用于生命科学领域具有重要的意义.本文首先简单介绍了DNA纳米技术的发展以及DNA纳米结构的构建方法和特点，然后分体外细胞和体内动物两个层次，综述了近年来DNA纳米结构的安全性研究进展.最后总结指出，DNA纳米结构的安全性研究工作尚不完善，并展望了在进一步工作中该领域应重点开展的研究方向.2DNA纳米技术简介DNA，即脱氧核糖核苷酸(deoxyribonucleicacid)，作为生命遗传信息的储存物质广泛存在于生物体内.1953年，DNA双螺旋结构的

3、发现极大地促进了现代生命科学的发展.DNA双螺旋结构宽2nm，螺距3.4~3.6nm，每个碱基的长度约0.34nm，这些性质决定了核酸分子在纳米组装时具有尺寸适应性.更重要的是,DNA具有卓越的可编码性，根据碱基配对原则腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)互补配对可以进行精确的设计，从而构造出各种各样的纳米结构[31].1982年,Seeman教授[2]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，引领了整个DNA纳米技术领域的发展.此后，研究人员以DNA为“建筑材

4、料”，通过“自下而上”的构筑方法，设计合成了各种功能化的DNA以及不同形状的DNA纳米结构，DNA纳米技术也渗入到众多研究领域中.近30年来，DNA纳米技术取得了突飞猛进的发展.DNA纳米技术的最大特点在于可以将DNA序列精确设计和组装成我们想要的结构.当前，构建DNA纳米结构有两种主要的方法：模块结构组装(tile)和DNA折纸术(DNAorigami).模块自组装是层次自组装(hierarchicalassembly),通过将目标结构分解成小的结构单元，利用每个结构单元里核酸链直接的强作用力以及结构单元之间略弱的作用力，形成整个结构.利用该方

5、法可以构造出一维线性排列、二维平面X格、可寻址阵列、纳米纤维、三维多面体乃至三维晶体等多种结构,这种构建方法是DNA折纸术出现之前DNA纳米结构的主要构建方法.2006年，Rothemund发明了DNA折纸术，该技术的出现使得制作复杂DNA纳米结构的能力得到极大提升.DNA折纸术是一种成核自组装(nucleationassembly),整个组装过程围绕若干成核点(或称成核链)一次进行，因此，通过DNA折纸术生成图形的复杂度较模块自组装大大提高.通过DNA折纸技术，研究人员已经构建出了包括笑脸、海豚、中国地图、巨石、螺帽、桥式结构、细颈瓶、立体花瓶

6、、五角星、方形、矩形、三角形、空心盒子、四面体和立方体等各种精巧的纳米图案和纳米结构此外，由DNA模块或是DNA折纸构建的模板中每条钉书链都可以延伸出特定可识别的序列，这使得通过DNA纳米技术构建的模板可以进行进一步的功能化修饰并广泛应用到诸多研究领域中.3DNA纳米结构的安全性研究在纳米领域，每一种新的纳米材料被制备出来并应用到众多研究领域特别是生物医药相关的领域中时，其生物安全性是研究人员首要关心的课题.同样地，DNA纳米结构作为一种新型的纳米材料在被广泛应用的同时，科学家也对其安全性进行了评估，下面将从体外细胞和体内动物两个层次介绍近年来的

7、研究进展.3.1细胞水平细胞是构成生命的基本单位，外界任何有害因子对机体的作用，均可通过细胞形态与功能的改变表现或检测出来.细胞模型具有简单、实验条件的一致性易于控制、实验结果重复性较好等优点.并且，细胞实验所需要的DNA纳米结构的量较少，因此大量工作致力于在细胞水平开展研究.DNA四面体是DNA纳米结构的典型代表，它由4条DNA单链自组装形成，因制备方法简单，产率较高而研究最多.樊春海研究组[43]应用共聚焦显微技术研究了RATT法检测了DNA四面体纳米结构对RACF-7等多种细胞存活率的影响，发现即使是使用很高的浓度(250和500nmol/

8、L)也对细胞不显示任何毒性效应.除了四面体结构外，其他形状的DNA纳米结构也具有良好的生物相容性.Jiang等制备了二维管状和三维三角形