DNA折纸术研究进展.pdf

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1、第27卷第2期应用化学Vo1．27No．22010年2月CHINESEJ0URNALOFAPPLIEDCHEMISTRYFeb．2010鹅)$综合评述$DNA折纸术研究进展付衍明张钊李璨师咏勇阎秀峰。樊春海(。东北林业大学生命科学学院哈尔滨；上海交通大学Bio—X中心上海；中国科学院上海应用物理研究所上海201800)摘要DNA折纸术是近年来提出的一种全新的DNA自组装的方法，是DNA纳米技术与DNA自组装领域的一个重大进展。与传统的DNA自组装技术不同，DNA折纸术通过将一条长的DNA单链(通常为基因组D

2、NA)与一系列经过设计的短DNA片段进行碱基互补，能够可控地构造出高度复杂的纳米图案或结构，在新兴的纳米领域中具有广泛的潜在应用。本文在介绍DNA折纸术相关原理的基础上，就DNA折纸术的起源、发展及其在DNA芯片、纳米元件与材料等领域的潜在应用进行了概述，探讨了DNA折纸术未来可能的发展方向。关键词DNA自组装，DNA折纸术，纳米技术中图分类号：O641文献标识码：A文章编号：1000-0518(2010)02-0125-07DOI：10．3724／SP，J．1095。2010。90384在尽可能精细的尺度

3、上控制物质的结构是化学、材料科学和纳米技术的一个主要目标。分子自组装代表了一种“自下而上的(Bottom-up)”制造高精度复合物的方法。分子自组装是指分子在热力学平衡条件下，通过化学键自发组合形成结构稳定、复杂有序且具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构的过程j。DNA分子因其结构特点和特有的分子间相互作用特性，尤其适合于作为自组装的材料合成出具有复杂结构的物质。DNA自组装现已在DNA纳米技术这一广阔领域大展身手。2006年，Rothemund首次提出了一种全新的DNA自组装方法——DNA折纸术(Or

4、igami)，在Nature杂志以封面论文发表。通过DNA长链和短链的共同折叠，可以构造出所需要的图形结构。同时还可以在短的DNA单链上添加茎环，在构造的二维形状表面上组合出各种特定的图案。DNA折纸术可以成功构造出各种复杂可控的纳米级图案和形状，具有传统DNA自组装所不具备的优势，是DNA自组装领域的重大突破。2006～2008年间，人们利用DNA折纸术已经成功构造了各种二维图形和三维图形，并且拥有了通用的设计软件。同时，对DNA折纸术算法和应用的探索也获得了阶段性的成果。本文就DNA折纸术的起源、发展、

5、潜在应用及其相关研究等方面进行了综述。DNA折纸术的起源1．1DX(double-Cl'OSsover)模块1998年，Winfree等构造出几种将DNA链缠绕成两排的自组装单元，统称为DX模块，每个DX模块有4个黏性末端，可以自组装成二维阵列。DX模块是一种由2个边边相对的DNA双螺旋组成的自组装模块，2个双螺旋之间由2个称为Crossover的接点进行连接。Crossover是稳定的4臂结构，并列的Crossover使每个接点处的非交换链相互反向平行，这种结构使DX模块具有传统的分又结构所缺乏的刚性，如

6、图1所示j。DX模块之间的特异性组合可通过DNA黏性末端来控制，适用于周期性结构的自组装。2009-06-08收稿，2009-08—10修回国家自然科学基金资助项目(60537030)通讯联系人：樊春海，男，博士，研究员；E-mail：fchh@sinap．ac．cn；研究方向：生物传感器与DNA纳米技术应用化学第27卷GATGGCGTCCGTTTACAGTCGAGGACGGATCGTCACTC11ACCGCAGGCAAATGTCAGCTCCTGCCTAGCCA11AC=二二二二二][二二二二二][二二二=

7、_rAGAGGTAAGACCTGCGG11ATAGA1、AGCAGGCTACTGTCTTGCArTCTGGACGCCATATCTATCGTCCGATGAC图lCrossover结构示意图⋯Fig．1Structureofcrossover[]2004年，Rothemund等将DX模块巧妙地组装出谢尔宾斯基(Sierpinski)三角形。同年，Rothemund等又用DX模块组装成三维的纳米管状结构。这种完全由DNA组成的纳米管是将之前构造的二维阵列结构首尾相连组装而成的。如同二维自组装一样，纳米管的组装方式

8、是可编程的，并且内壁与外壁也可以添加修饰。该研究提出了一个基于B构象DNA的简单的DNA自组装纳米管的结构模型。1．2TX(triple-crossover)模块2000年，Labean等构造出几种DNA链缠绕成三排的自组装模块，统称为TX模块，每个TX模块都有6个黏性末端，较DX有更多的编码方式，且可以形成更为稳定的二维阵列。TX模块是由3个边对边的双螺旋组成的自组装模块，其组装成的二维结构是有缝隙的，能为容纳