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上海应物所、上海交大、ASU等Nature: DNA折纸带着SiO2一起High,随心所欲搭积木!

前言

DNA折纸术是最近十多年流行起来的纳米合成的高级玩法。

北京时间2018年7月17日凌晨,Nature在线发表了来自中国科学院上海应用物理研究所、上海交通大学和美国Arizona State University等多家科研单位合作的成果,作者受自然界广泛存在的硅藻启发,成功地实现了具有SiO2层包覆的DNA折纸纳米组装策略(Nature, 2018, doi:10.1038/s41586-018-0332-7)。

第一作者:Xiaoguo Liu, Fei Zhang, Xinxin Jing
通讯作者:Hao Yan和樊春海
第一单位:中国科学院上海应用物理研究所

上海应物所、上海交大、ASU等Nature: DNA折纸带着SiO2一起High,随心所欲搭积木!

课题背景介绍

DNA的双螺旋结构,因为四个碱基单元特异性配对,两条单链的独特结构,这使得DNA的自组装玩出了很多高级花样。

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2006年DNA二维折纸术的横空出世(Paul W. K. Rothemund, Nature 2006, 440, 297)
 
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2017年DNA产生的二维折纸,已经到达了微米级。借助于编程,可以产生蒙娜丽莎的微笑。(Tikhomirov, G. et al. Nature(2017) 552, 67.)

还可以这样玩:

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DNA折纸的中国地图图样,(QIAN Lulu等, Chinese Science Bulletin 2006 Vol. 51 No. 24 2973—2976)

虽然图样控制已经接近随心所欲的水平,但是DNA纳米技术还需要找到合适的应用出口。与氧化物的复合是一种理想的策略。但是DNA折纸得到的纳米结构需要很高的离子浓度(如Mg)以维持稳定,这使得其它组分在DNA组装体的进一步沉积变得困难

今天这篇Nature 文章在实现DNA表面的包覆SiO2层可控的包覆的同时,依然保持着DNA的复杂组装图案,并有效提高组装体的稳定性,作者将这种新的DNA折纸玩法称为:DNA硅化折纸术,DNA origami silicification (DOS)。

全文亮点

  1. 基于分子动力学模拟的结果,将两种硅和磷酸前躯体的预先团聚策略,使得硅源成功地沉积到DNA骨架的表面中,实现了DNA-SiO2的复合结构构筑;

  2. 利用此策略,基于各种DNA折纸模板,合成了一维、二维和三维的多层级纳米组装体,其尺寸在10 到1000 nm。

  3. 无定型SiO2层厚度可随生长时间调节。

  4. DNA-SiO2的杂化结构稳定性提高十倍。

图文快解

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图1 DNA硅化折纸术,DNA origami silicification (DOS)的实现示意图。

要点:分子动力学模拟启发,TMAPS和TEOS两种前躯体预先组成小团簇,然后就可以沉积于DNA组装体的表面。

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图2 DOS组装体的几何结构控制。
 
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图3 复杂结构也无压力

要点:EDS显示Si/O/P的均匀分布。

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图4 DOS结构的纳米机械性能。

要点:a, 五天的硅化反应后,DOS三角形的杨氏模量比传统的DNA折纸结构提高十倍。c,利用AFM tip挤压DOS四面体考察其变形性。

f: 将两个Au纳米棒组装到四面体的两条棱边上,硅化的DOS组装体刚性更好。

总而言之,考虑到SiO2-DNA复合结构可以当做更好的三维载体,这项工作最终可能在新的光学系统、半导体纳米组成、纳米电子、纳米机器人和包括药物输送在内的医疗应用领域具有广阔的应用前景。

部分作者简介

上海应物所、上海交大、ASU等Nature: DNA折纸带着SiO2一起High,随心所欲搭积木!

樊春海,南京大学博士,加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)博士后。2004年1月起任中国科学院上海应用物理研究所研究员,现任物理生物学研究室和上海光源国家科学中心(筹)生物成像中心主任,中国科学院特聘研究员,上海交通大学教授。2004年入选中国科学院百人计划,2007年获得国家杰出青年基金,2011年任科技部重大科学研究计划(纳米)首席科学家。兼任美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces副主编,十余份国际杂志编委。主要研究方向为生物传感器、DNA纳米技术与DNA计算和生物光子学。已发表论文300余篇,论文引用20,000余次,H因子82。入选美国科学促进会会士、英国皇家化学会会士、国际电化学学会会士、全球高被引科学家(Thomson Reuters)。主要获得荣誉包括:国家自然科学二等奖、第十二届中国青年科技奖、中国科学院杰出青年科学家奖、上海市自然科学一等奖、上海市领军人才等。
作者信息来源: http://www.cpu.edu.cn/5c/fa/c4240a89338/page.htm


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