本文選題：DNA分子機(jī)器 + DNA催化循環(huán)網(wǎng)絡(luò)　； 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：DNA是一種由A、T、G、C四種核苷酸組成的雙螺旋生物大分子,通常作為遺傳信息的載體在生命體內(nèi)起到存儲(chǔ)和復(fù)制遺傳信息的作用。在DNA納米技術(shù)領(lǐng)域,DNA作為一種結(jié)構(gòu)精確的反應(yīng)基元被廣泛用于分子器件的構(gòu)建,DNA分子計(jì)算、疾病診斷,以及生物傳感等。其中,以基于黏性末端(toehold)的DNA鏈替換反應(yīng)構(gòu)建的催化循環(huán)網(wǎng)絡(luò)體系尤其引起人們的興趣。在這些體系中,DNA目標(biāo)鏈的功能類似于化學(xué)反應(yīng)中的催化劑,可以通過一系列的DNA鏈替換反應(yīng)驅(qū)動(dòng)DNA分子機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn),而自身不被消耗。由于具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),金納米粒子近年來受到人們的廣泛關(guān)注。自從上世紀(jì)九十年代中期DNA-金納米粒子復(fù)合物被Mirkin等人成功制備以來,這種DNA功能化的金納米粒子已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于體內(nèi)外檢測、細(xì)胞轉(zhuǎn)染、基因調(diào)控以及晶體結(jié)構(gòu)組裝等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的DNA-金納米粒子組裝體系中,DNA連接鏈(linker)的兩端直接與兩種金納米粒子表面的DNA探針互補(bǔ)連接,從而完成金納米粒子的組裝。但是這種“直接連接策略”功能單一,無法對金納米粒子組裝過程進(jìn)行精確的調(diào)控。尤其是在需要DNA-金納米粒子實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能的體系中,這種簡單策略就更難以實(shí)現(xiàn)了。因此很大程度上限制了金納米粒子組裝體系的進(jìn)一步應(yīng)用。在本論文中,通過將DNA-金納米粒子組裝體系和toehold協(xié)助的DNA鏈替換反應(yīng)相結(jié)合,我們構(gòu)建了一系列DNA分子機(jī)器調(diào)控的金納米粒子組裝體系對金納米粒子的恒溫組裝過程進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)控制。首先,研究了金納米粒子表面DNA鏈替換反應(yīng)的特性。研究發(fā)現(xiàn)金納米粒子表面接枝的DNA入侵鏈toehold長度為7和8時(shí)造成的DNA鏈替換反應(yīng)速率躍變的現(xiàn)象是由于金納米粒子表面的高DNA鏈接枝密度引起的。此研究加深了對金納米粒子表面DNA鏈替換反應(yīng)特性的理解,同時(shí)有助于指導(dǎo)DNA-金納米粒子恒溫組裝體系的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。多輸入DNA邏輯門可以進(jìn)行復(fù)雜邏輯運(yùn)算,在DNA檢測中能同時(shí)檢測多種致病基因。由于金納米粒子和金納米棒有兩個(gè)互不干擾的紫外吸收峰,在第三章中將DNA修飾的金納米粒子和金納米棒組合,利用它們的紫外吸收峰值變化作為輸出信號,通過DNA分子機(jī)器驅(qū)動(dòng)金納米粒子和金納米棒的組裝,構(gòu)建了兩種多輸入DNA邏輯門[(A AND B) AND (C AND D)]和[(A OR B)AND (C OR D)]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這兩種多輸入邏輯門均可區(qū)分多種目標(biāo)鏈輸入情況,且信號可讀性好易于分辨。相信這種方法不僅可以同時(shí)檢測多種目標(biāo)DNA,而且在復(fù)雜邏輯運(yùn)算方面也有應(yīng)用前景。原理上,toehold協(xié)助的DNA鏈替換反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的金納米粒子組裝體系可以進(jìn)一步組合成多級的復(fù)雜循環(huán)網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建DNA分子機(jī)器驅(qū)動(dòng)的DNA-金納米粒子多層組裝體系面臨的主要挑戰(zhàn)是多級系統(tǒng)中多種核酸組分之間的復(fù)雜相互作.用和泄露行為造成的消極影響。在第四章的工作中,通過計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,研究了 DNA催化循環(huán)體系的動(dòng)力學(xué)性能和泄露行為,并且實(shí)現(xiàn)了 DNA分子機(jī)器驅(qū)動(dòng)的DNA-金納米粒子的二級和三級級聯(lián)組裝。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),DNA序列的toehold長度和DNA分子機(jī)器的摩爾比對構(gòu)建性能穩(wěn)定的多級組裝體系具有十分重要的影響。DNA多層級聯(lián)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有助于擴(kuò)展復(fù)雜DNA生物化學(xué)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在第五章的研究中我們注意到,受限于金納米粒子表面接枝DNA序列特異性的影響,DNA-金納米粒子復(fù)合探針只能針對特定的DNA目標(biāo)序列進(jìn)行檢測,因而使檢測的復(fù)雜程度和成本大大提高,降低了實(shí)用性。針對該問題,在前期工作的基礎(chǔ)上,我們構(gòu)建了一種DNA鏈替換催化循環(huán)體系與DNA-金納米粒子組裝的二級串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。上層的DNA催化循環(huán)網(wǎng)絡(luò)釋放的DNA連接鏈可以將下層的DNA-金納米粒子組裝體系串聯(lián)起來。經(jīng)過理論和實(shí)驗(yàn)對DNA序列設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化后,該體系在單核苷酸多態(tài)性區(qū)分中表現(xiàn)優(yōu)異。無論DNA目標(biāo)鏈在任何位點(diǎn)發(fā)生單堿基錯(cuò)配,插入,或者缺失,都可通過正常鏈和突變鏈的DNA鏈替換反應(yīng)引起的金納米粒子組裝速率差異而進(jìn)行有效的區(qū)分。該方法不需要針對不同的DNA目標(biāo)鏈重新設(shè)計(jì)DNA-金納米粒子復(fù)合物,節(jié)省了資金和時(shí)間成本。在前幾章的研究體系中,DNA-金納米粒子的組裝動(dòng)力學(xué)速率主要依賴于體系內(nèi)toehold長度以及序列組成進(jìn)行調(diào)控,而pH,溫度,以及光照等外部影響因素很難影響到體系的組裝速率。為了增加DNA-金納米粒子組裝體系的調(diào)節(jié)因素從而對其進(jìn)行更精確的調(diào)控,在本論文最后一章中通過引入C+-GC三鏈DNA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種pH響應(yīng)的DNA分子機(jī)器調(diào)控的金納米粒子組裝體系。通過調(diào)節(jié)體系中pH可以改變DNA分子機(jī)器的構(gòu)象,從而有效調(diào)控DNA-金納米粒子體系的組裝動(dòng)力學(xué)。綜上,在本論文中構(gòu)建的一系列DNA分子機(jī)器驅(qū)動(dòng)的金納米粒子組裝體系可以對金納米粒子恒溫組裝過程進(jìn)行各種精確的調(diào)控,并且成功應(yīng)用于多組分DNA邏輯門,DNA級聯(lián)網(wǎng)絡(luò),DNA檢測,單核苷酸多態(tài)性區(qū)分,以及pH檢測中,充分體現(xiàn)了我們構(gòu)建體系的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。
[Abstract]:DNA is a kind of double helix biological macromolecule composed of four nucleotides of A , T , G and C , which is usually used as carrier of genetic information to store and replicate genetic information in the living body . It is found that the DNA - gold nanoparticle composite probe can only detect multiple target DNA at the same time , but also has application prospect in complex logic operation .
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;O629.7

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本文編號：2037621