《科学进展》解锁了DNA纳米结构自组装的新能力

奥尔巴尼大学RNA研究所的研究人员开创了设计和组装DNA纳米结构的新方法，增强了它们在医学、材料科学和数据存储方面的实际应用潜力。他们的最新发现展示了一种不需要极端高温和控制冷却就能组装这些结构的新能力。他们还展示了在包括镍在内的非常规“缓冲”物质中成功组装。这些发展开启了DNA纳米技术的新可能性。

　　

奥尔巴尼大学RNA研究所的研究人员正在开创设计和组装DNA纳米结构的新方法，增强其在医学、材料科学和数据存储等实际应用中的潜力。
他们的最新发现展示了一种新的能力，即无需极端高温和受控冷却即可组装这些结构。他们还展示了在包括镍在内的非常规“缓冲液”中成功组装。这些进展今天发表在《科学进展》杂志上，为DNA纳米技术解锁了新的可能性。
DNA因其在储存遗传信息中的作用而广为人知。由可轻松操控的碱基对组成，DNA也是一种构建纳米级物体的绝佳材料。通过“编程”组成DNA分子的碱基对，科学家可以创建小至几纳米的精确结构，并将其设计成具有复杂架构的形状。凭借其微小的尺寸和定制设计，这些结构可用于精准放置生物分子、细胞和纳米颗粒，应用于生物医学（例如药物递送、治疗和诊断工具）和材料设计等领域。
通常，创建这些结构需要将DNA链加热然后在通常含有镁离子的特殊缓冲液中冷却。然而，对精确温度控制的需求限制了实际应用的可能性，并且在镁中组装的DNA纳米结构可能会带来挑战，包括在生物环境中结构不稳定。
为解决这些问题，奥尔巴尼大学团队正在探索在适中温度下组装DNA纳米结构的方法，并在多种金属离子溶液中组装，以获得更稳定的纳米结构。
“我们通常通过将组成DNA纳米结构的DNA链混合在缓冲液中，将溶液加热至高温（194到203华氏度），然后冷却至较低温度来组装DNA纳米结构，”资深作者、RNA研究所高级研究员阿伦·理查德·钱德拉塞卡兰说，“在本项新研究中，我们展示了可以在恒定的适中温度下等温组装DNA纳米结构，即在室温（68华氏度）或体温（98.6华氏度）左右。通过消除对热循环仪或其他复杂加热设备的使用，这极大地简化了纳米结构合成的过程，并为在生物和材料科学中以恒定温度组装这些结构开辟了可能性。”
许多DNA纳米结构的应用涉及将温度敏感的蛋白质（例如酶和抗体）附着到纳米结构上。在适中温度下组装DNA纳米结构，使得使用这些脆弱的生物组分构建用于药物递送和诊断的DNA纳米装置变得更加容易。
“重要的是，这项工作让我们更接近想象这些纳米结构实际上如何在人体内制造和使用，例如用于靶向药物递送或精准诊断，”钱德拉塞卡兰说，“尽管在实现这一目标之前我们还有很长的路要走，但在体温下组装DNA纳米结构是一个充满希望的步骤。”
在之前的研究中，奥尔巴尼大学团队已经成功使用钙、钡、钠、钾和锂通过高温方法组装DNA纳米结构。在本研究中，他们将镍和锶加入到列表中，重要的是，他们能够使用这些物质在室温和体温下构建DNA纳米结构。
在不使用镁且在适中温度下组装DNA纳米结构，增强了这些结构在各种应用中的潜在用途。他们还展示了使用这种方法制造的DNA纳米结构对细胞活性或免疫反应没有负面影响，表明其在生物应用中的潜在用途。
“我们正在进行的研究旨在优化在各种金属离子中组装纳米结构，并测试这些结构的生物稳定性，以用于多种潜在的未来应用，”钱德拉塞卡兰说，“通过创新的DNA纳米结构设计和稳定化方法，我们希望这些纳米技术的进步能够为医学及其他领域复杂挑战提供新的解决方案。”
这项工作是钱德拉塞卡兰实验室的协作成果。参与者包括：博士后助理巴拉特·拉杰·马丹纳戈帕尔，研究助理阿林·罗德里格斯和阿库尔·帕特尔，博士生汉娜·塔尔博特，以及合作者安德鲁·伯格伦德、斯维塔·万加维蒂和肯·哈尔沃森。
该研究的合作者得到了美国国立卫生研究院的支持，包括国家医学科学研究所、国家老年病研究所和国家神经疾病与中风研究所；奥尔巴尼大学教师研究奖项目；美国陆军医学研究采购活动奖；以及肌肉营养不良协会的支持。