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DNA修饰无机纳米材料新策略:通过聚胞苷酸(poly-C)进行非共价链接

DNA修饰的纳米材料在自组装、生物传感以及药物递送等领域有着广泛的应用前景,其中关键的一个环节是DNA的定向修饰从而实现纳米材料的功能化。然而,不同类型的纳米材料表面性质迥异,给DNA的修饰带来了很大的挑战。传统方法往往是将经特殊官能团修饰的DNA同纳米材料以共价键的方式相连接。通过此方法得到的材料稳定性较高,并且DNA的构形取向能得到有效的控制,但是这些方法操作步骤繁琐,所需DNA合成成本较高,并且不具备普适性。基于以上原因,DNA在纳米材料表面的非共价吸附越来越受到关注。据报道,DNA可以通过碱基的螯合作用,π-π堆积作用,磷酸根骨架的静电作用等与多种纳米材料相结合。比如,聚腺苷酸(poly-A)的可以高效地结合金纳米颗粒。


为了进一步提高DNA在纳米材料表面的修饰效率及稳定性,研究人员利用筛选核酸适配体(aptamer)的方法得到了对于某些纳米材料具有高亲和力的DNA序列。例如,单壁碳纳米管对于具有GT重复序列的DNA有着较强的吸附作用。无机纳米材料表面的重复晶格结构与DNA核苷酸有着相近的尺寸,这也许能解释为什么这些针对材料表面的适配体多为简单的重复序列。


受此启发,加拿大滑铁卢大学化学系刘珏文教授课题组系统地研究了简单重复的DNA序列与纳米材料间的相互作用,并发现聚胞苷酸(poly-C) 可广泛地作为无机纳米材料的高亲和配体。他们挑选了四类共八种无机纳米材料,包括碳纳米材料(单层氧化石墨烯和单壁碳纳米管),二维过渡金属硫化物(单层二硫化钼和二硫化钨),过渡金属氧化物(四氧化三铁和氧化锌),和贵金属纳米颗粒(金和银),进行了全面而系统性的DNA吸附-解吸附研究。


DNA修饰无机纳米材料新策略:通过聚胞苷酸(poly-C)进行非共价链接


结果表明,相对于其他DNA序列,poly-C 能够更紧密地结合前三类纳米材料。而且当DNA整体的吸附能力较弱时(例如在氧化石墨烯的表面的,上左图),poly-C的表现尤为突出。通过一个荧光淬灭测试,刘珏文教授课题组进一步对比了poly-A和poly-C DNA对修饰氧化石墨烯的表现(上右图)。结果发现含Poly-C DNA修饰的氧化石墨烯对互补链的捕捉要快于含poly-A DNA修饰的样品,尤其是在有其他表面活性剂,蛋白质,核酸等竞争分子存在的情况下(下图)。圆二色光谱结果显示,poly-C DNA仅在氧化石墨烯和碳纳米管表面形成i-motif结构,而没有证据表明i-motif是对其他纳米材料吸附增强的原因,而其吸附机理需要进一步进行研究。这个发现为多种纳米材料的DNA修饰提供了一个普适的方法。


相关文章发表在 Angew. Chem. Int.Ed.(DOI: 10.1002/anie.201702998)上。共同第一作者为浙江大学生物系统工程与食品科学学院访问学生陆畅和滑铁卢大学化学系研究生黄志成。原文链接如下,或者点击下方阅读原文

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201702998/abstract


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