【摘要】：近四十年來(lái),作為生物遺傳物質(zhì)的DNA,被廣泛用做構(gòu)建納米器件的基礎(chǔ)材料。其最顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以在納米尺度對(duì)分子進(jìn)行操控,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的精確定位和編程;同時(shí),作為生物內(nèi)源性的物質(zhì),DNA具有很好的生物相容性。利用DNA分子構(gòu)建納米裝置,再將這些納米裝置用于調(diào)控生物系統(tǒng)的功能是DNA納米技術(shù)的主要目的。本論文的主要內(nèi)容是以DNA框架核酸結(jié)構(gòu)為基元,構(gòu)建fSunTag(framework nucleic acids SunTag)納米探針,用于活細(xì)胞的多色成像;還利用DNA嵌段共聚物構(gòu)建了兩親性的DNA四面體實(shí)現(xiàn)了疏水性熒光染料的轉(zhuǎn)相。并進(jìn)一步對(duì)DNA納米結(jié)構(gòu)在活體組織中的成像效果進(jìn)行了研究,通過(guò)對(duì)脂質(zhì)體進(jìn)行密集DNA修飾,提升了肝腫瘤組織的成像信噪比。最后,利用DNA與蛋白的協(xié)同組裝構(gòu)建了蛋白-DNA的亞微米復(fù)合物。本論文主要涉及四部分工作,具體內(nèi)容如下:1)以框架核酸結(jié)構(gòu)—DNA四面體為基元構(gòu)建了fSunTag探針,實(shí)現(xiàn)了高亮度,多通道的生物熒光成像;該方法可以精確的控制熒光分子的相對(duì)位置及組合方式,對(duì)熒光分子進(jìn)行“編程”,從而構(gòu)建出熒光強(qiáng)度量子化的多色探針,用于活細(xì)胞的多色成像。fSunTag還可以招募多個(gè)核酸適體,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高親和力成像。該方法具有很強(qiáng)的普適性,可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高通量檢測(cè)和多色成像。2)利用DNA嵌段共聚物構(gòu)建了兩親性的DNA四面體實(shí)現(xiàn)了疏水性熒光染料的轉(zhuǎn)相。通過(guò)調(diào)控兩親性DNA四面體上烷基鏈的數(shù)目,可以改變兩親性DNA四面體包裹的熒光分子數(shù)目。另外,該兩親性載體可以為裝載的熒光分子提供保護(hù),提高熒光分子在生理?xiàng)l件下的光穩(wěn)定性和抗紫外光漂白的能力。3)利用DNA對(duì)脂質(zhì)體進(jìn)行了修飾,改變了脂質(zhì)體在體內(nèi)的代謝分布,降低了脂質(zhì)體在正常肝臟組織中的累積。這種材料作為探針可以區(qū)分肝腫瘤組織和正常肝組織,提升肝腫瘤組織的成像信噪比。4)將DNA納米技術(shù)和蛋白自組裝技術(shù)結(jié)合起來(lái),利用DNA的精確自組裝和蛋白質(zhì)分子的高效自組裝,構(gòu)建了同時(shí)具有DNA四面體和蛋白的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)包含了大腸桿菌菌毛蛋白CsgA組裝的蛋白纖維和不同個(gè)數(shù)的DNA四面體,在亞微米尺度保持了很好的直鏈形態(tài)。這種組裝方法為構(gòu)建復(fù)雜納米器件和功能材料提供了一種新思路。綜上所述,我們利用DNA的可編程性和生物相容性,構(gòu)建了可用于活細(xì)胞及生物組織成像的新型DNA納米探針,探索并擴(kuò)展了構(gòu)建復(fù)雜DNA納米結(jié)構(gòu)的新方法。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.1;R318.08
【圖文】：

第 1 章 引言第 1 章 引言DNA 是脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid)的簡(jiǎn)稱，具有右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。1982 年，NadrianC.Seeman 教授利用 DNA 分子的互補(bǔ)配對(duì)自組裝形成了具有高度幾何對(duì)稱性的“DNA 四臂結(jié)”[1]，開(kāi)啟了 DNA 納米技術(shù)時(shí)代。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，研究者們已經(jīng)構(gòu)建了大量形態(tài)各異、功能豐富的 DNA 納米裝置。DNA 納米技術(shù)的發(fā)展歷程如圖 1-1 所示。

圖 1-2 模塊化組裝 DNA 納米結(jié)構(gòu)(a) 最早的 DNA 四臂結(jié) DX 模塊和 TX 模塊[25]。（b）使用 TX 模塊組裝的結(jié)構(gòu)，用原子力顯微鏡進(jìn)行了表征[26]。（c）使用三臂結(jié)模塊和拉伸的四臂結(jié)模塊組裝得到的三維立體結(jié)構(gòu)[28]。（d）通過(guò)精巧設(shè)計(jì)組裝的三臂結(jié)結(jié)構(gòu)組裝得到的 DNA 晶體[29]。Figure 1-2 DNATile as building blocks for complex structure assembly(a) Self-assembly of four-armed junctions[25]. (b) Atomic force microscopy (AFM) images of DNAnanostructure with striped pattern[26]. (c) 3D discrete solids structure assembly of DNAtiles[28]. (d)Design of self-assembled DNAcrystals[29].1.1.2 DNA 折紙（DNAorigami）所謂“DNA 折紙術(shù)”，就是用一根長(zhǎng)鏈的 DNA(scaffoldDNA)折疊成目標(biāo)形狀, 再用一些短鏈 DNA (staple strand)將形狀固定。Paul Rothemund 在 2006 年開(kāi)創(chuàng)性的利用 DNA 折紙術(shù)構(gòu)建了 DNA 納米結(jié)構(gòu)[9]，如圖 1-3a，這種方法可以

后構(gòu)成了一個(gè)中空的盒狀結(jié)構(gòu)（圖 1-3b）；有趣的是，它的盒蓋能夠打開(kāi)或者關(guān)閉。Shih 課題組開(kāi)發(fā)了名為多層折紙術(shù)的方法[31]，它是通過(guò)將 DNA 螺旋管密集的堆疊在一起形成各種形態(tài)的納米結(jié)構(gòu)(圖 1-3c)，這些結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。第三種方法是由 Yan 等人所開(kāi)發(fā)[32]，它們將一條 DNA 骨架鏈反復(fù)折疊形成一個(gè)四面體的的結(jié)構(gòu)，通過(guò)未配對(duì)的“鉸鏈”來(lái)確定四面體的各個(gè)面。DNA 折紙術(shù)最新的發(fā)展方向是構(gòu)建更復(fù)雜更精細(xì)化的結(jié)構(gòu)并將其用于解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題，例如：納米材料編織、生物傳感、精確給藥等[33,34]。還有一種 DNA 組裝方法，被稱為 DNA 磚塊（DNAbrick）。它是由 Yin 等人所開(kāi)發(fā)[35]。它由一系列含有 4 個(gè)結(jié)合位點(diǎn)的單鏈所組成。它可以組裝得到數(shù)字、字母、各種動(dòng)物的形態(tài)。它也可以用來(lái)組裝三維結(jié)構(gòu)，被稱為“樂(lè)高積木”(圖 1-3d)。另外，Dietz 等將 DNA 折紙術(shù)中的 staple 鏈用蛋白分子代替，這些蛋白分子類似于轉(zhuǎn)錄激活因子，它們可以與特定的 DNA 雙鏈區(qū)域結(jié)合，如圖 1-3e。通過(guò)這種方式折疊骨架鏈得到圓環(huán)或者其它設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)[36]。

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本文編號(hào)：2749033