基于DNA环状小分子的DNA和RNA纳米组装技术

【摘要】自1953年沃森(Watson)和克里克(Crick)发现了DNA的碱基配对原则和双螺旋结构以来,分子生物学飞速发展。由于DNA分子小巧坚固的结构,高信息量存储和忠实的碱基配对的特点,使得其作为分子建筑模块来构建功能化的纳米材料和器件备受瞩目。上世纪八十年代,DNA纳米自组装技术由纽约大学的NadrianC.Seeman教授开创,该技术中DNA分子作为组装模块材料,通过自下至上的方式,组装了有确定几何结构的纳米级物体。随后,在过去的三十年里,一系列可寻址的一维的,二维的以及三维的DNA纳米结构接连创造了出来,并且这些结构广泛应用于纳米电子学,生物传感和计算机计算中来。“DNA折纸”技术是罗斯曼在2006年发明的,使用一根序列全部已知的主链DNA作为“脚手架链”,用很多称为“订书钉链”的合成DNA短辅链通过互补配对在一个平面上折叠主链,设计出了一系列二维平面结构。RNA/DNA杂交折纸技术是2013年新出现的一种模仿DNA折纸技术。该过程中,主链使用体外转录制取的长链RNA代替传统意义上的DNA长链为脚手架,使用人工合成的短链DNA为辅链通过碱基互补配对(A-U,C-G)对脚手架RNA进行折叠。RNA-DNA杂交折纸结构为扩展新颖纳米设计和构建提供了多样性。这使得折纸技术发展前景更加宽广。目前,DNA纳米管可用作模板来生长纳米导线,还有可能作为分子马达和纳米药物载体的刚性连接体和轨道等；特别值得关注的是,DNA纳米管作为药物载体是很有应用前景的一类,可以被生物降解和生物兼容的储药容器。DNA纳米管的形状大小和在表面连接配体比目前其它任何的纳米材料都要精确可控。总之,DNA纳米管将是纳米机器中的一个重要部件。本论文详细阐述了通过非常经典的滚环转录(RCT)方法制备具有重复序列的长链RNA分子。模仿DNA折纸技术,该长链RNA分子在DNA短辅链指导下成功的折叠成了多种稳定的RNA/DNA纳米线结构。在此工作的启发下,我们使用作为转录模板的环状小DNA分子作为新的基础器件,制备了微米级长度的纳米管。具体工作如下：1.RNA/DNA杂交折纸技术的研究。首先,我们采用了一种温和有效的方法来制取长链单链RNA分子。该方法是基于DNA滚环扩增技术(RCA)的滚圈转录(RCT),在T7RN聚合酶的辅助下,将DNA环状模板和四种rNTP混合后37。C温育2-4小时,制备了具有周期序列的长链RNA作为脚手架。值得一提的是,我们实验所用的环状模板中并不含有T7序列。我们采用了一条长96个碱基的DNA环为模板制备的长链RNA作为脚手架,按照DNA折纸技术法则,分别设计了四种不同的纳米线结构。通过原子力显微镜表征,它们均能够形成稳定的纳米线,并且高度,宽度,长度与理论值相符。然后为了验证该方法可行性,我们采用了另一条序列不同但是长度也是96个碱基的DNA环制备了另一条RNA长链为脚手架,依然遵循折纸原则,设计了另一种不同的纳米线。原子力显微镜表征了该种纳米线形成,并且高度,宽度,长度与理论值相符。2.100个碱基以内的DNA环作为新的组装结构构造DNA纳米管的研究。该工作我们聚焦在RCT过程中作为模板的环状DNA上.在T4DNA连接酶的作用下,5端磷酸化的直链DNA分子在一小段夹板DNA帮助下,形成环状DNA。通过变性丙烯酰胺胶分离提纯表征得到纯化的环状DNA。在少量短链DNA链的辅助下,DNA环与环之间通过形成稳定的“天桥”结构将彼此紧密的绑在一起,从而形成有一个个DNA环紧实排列起来的DNA纳米管。我们采用了96个碱基和64个碱基的两种不同碱基个数的环分别设计了环与环之间形成两个和三个“天桥”结构的纳米管。通过改变短链位置设计了5种不同高度不同宽度的DNA纳米管。并且研究了在短链转弯的地方在环上添加T对纳米管的影响。实验表明,环上增加T对于纳米管的形成没有更好的作用。
【作者】郑虹宁；
【导师】肖守军；
【作者基本信息】南京大学，化学，2014，博士
【关键词】滚环转录；长链RNA；环状DNA；自组装；RNA/DNA杂交折纸技术；DNA纳米线；DNA纳米管；

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