结构DNA纳米技术新进展:一种制备可调长度脚手架链进行DNA折纸的简便方法

Rothemund于2006年提出的DNA 折纸术(DNA origami)是结构DNA纳米技术领域中里程碑式的进步。所制备的DNA纳米结构的序列依赖性、结构的可程序化设计和三维结构尺度上的可寻址修饰的特性吸引了广泛的研究兴趣,并被应用于化学、生物、物理及材料科学等各个方向的研究当中。该方法通过设计一系列的DNA短链(即订书钉链,staple strand),将其和一条长DNA单链(即脚手架链,scaffold strand)混合,通过脚手架链与可编程的订书钉链在特定位置碱基互补与杂交,共同折叠出预先设计的具有固定边界和尺度的二维或三维纳米结构。然而,目前DNA折纸术面临的最大限制是脚手架DNA链的选择极其有限。绝大多数已报道的DNA折纸结构所使用的脚手架链均是可直接购买得到的单链环状M13mp18噬菌体基因组DNA(~7.25kb),其固定的碱基序列和长度极大的限制了DNA折纸结构的多样化。为了解决脚手架链固定碱基序列和长度的问题,研究者设计了基于PCR扩增得到单链DNA脚手架链并进行自组装。然而PCR以及后续的纯化步骤使得单链DNA最终产量受到极大的影响。尽管能够制备出长约1.4kb的脚手架单链,但由于酶环化作用的浓度依赖效应,该方法在扩大结构似乎仍非常困难。另一些研究者致力于直接对双链DNA模板进行自组装,通过控制DNA热力学和化学的退火作用,可将1.4kb的双链DNA分别折叠成为两个独立的纳米结构;近来还有在双链DNA中加入两套订书钉链进行折纸结构的自组装。然而,这两种方法都极大的依赖订书钉链的设计,由此才能保证两条单链DNA脚手架链的非对称折叠。有研究者利用切刻酶使质粒DNA一条链上产生切口,再利用核酸外切酶将有切口的DNA单链完全降解,即可得到单链环状DNA,可作为折叠DNA折纸结构的模板。然而虽然质粒DNA易于使用细菌进行量产,但仍然不具备可控的模板链长度,而且具有非必须或不具备必须的碱基序列,且不一定具有限制性的切刻酶位点。

为解决上述问题,德国多德蒙德技术大学化学系(Technische Universität Dortmund Fakultät Chemie)Niemeyer课题组报道了一种简便、通用、高效的方法,可利用给定质粒大规模生产长度可调的单链环状DNA脚手架链。该方法结合点突变技术和位点-延伸非依赖克隆(SLIC)技术,可将切刻位点平行插入双链DNA质粒中。该方法通过引物设计引入切刻酶位点,通过PCR扩增可得到一系列长度可调的DNA线性双链产物,利用核酸内切酶Dpn I去除PCR模板质粒DNA,再将PCR产物退火环化,转化入大肠杆菌进行质粒的修复和扩增;利用切刻酶对引入切刻位点进行切割,再利用T7核酸外切酶将有切口的一条链消化,得到一系列长度可调的单链环状DNA,可用于折叠形成不同尺寸的DNA折纸结构。该方法可方便的利用任意给定的双链质粒DNA产生任意长度和序列组成的单链环状DNA模板,非常适合于各种规模的二维和三维DNA折纸结构的制备。

丁 宝全 About 丁 宝全

2000年毕业于吉林大学化学系获学士学位。2006年9月在美国纽约大学化学系获博士学位,导师Nadrian C. Seeman 教授。其后在美国劳伦斯伯克利国家试验室进行博士后研究,合作者为 Jeffrey Bokor 教授。2009年10月到2010年10月在亚利桑那州立大学作研究助理教授,合作者Hao Yan教授。2010年11月进入国家纳米科学中心,被聘为“百人计划”研究员,博士生导师。
研究工作包括:1)生物纳米材料 主要是核酸纳米结构,DNA折纸术的合理设计与制备,及其与多种其他纳米材料的复合结构的性能研究。2)自组装的生物纳米材料与电子束光刻等方法向结合制备的纳米器件的研究及其在纳米光子学,等离子体光子学,分子电子学方面的可能应用。