【摘要】：DNA分子是自然界普遍存在的一種分子,是儲存遺傳信息的重要載體,此外基于各種配對方式形成雙鏈結構,DNA已經(jīng)被證明可以作為一種強大的基礎材料構建各種納米結構。1982年,美國科學家Seeman教授受生物重組過程中霍利迪結(Holiday junction)的啟發(fā),第一個僅僅利用可編碼的堿基互補配對來構建二維和三維的DNA納米結構,標志DNA納米技術的開始。此后,由于DNA有合適的大小、明確的配對結構加之合成方便,無數(shù)的幾何圖案的DNA納米結構和功能迥異的各種DNA納米器件被設計和開發(fā)利用,目前該領域的研究人員已經(jīng)構建了靜態(tài)結構如二維和三維的納米晶格、納米管、多面體和任意形狀的功能器件如分子機器和DNA計算機,并正在納米醫(yī)學、分子電子學等領域得到應用。在自然界中,環(huán)狀DNA的扭曲、成環(huán)、彎曲、扭轉等現(xiàn)象具有復雜的生物作用,如調控復合物、影響基因表達等。在DNA納米技術研究中,剛性的DNA模塊是構建納米結構的基礎,最近我們課題組使用酶法合成的小環(huán)DNA來代替直鏈,構建線性排列的DNA剛性模塊自組裝得到DNA納米結構。本論文以小環(huán)DNA為基元構建不同方式和連接的DNA tile,并自組裝得到了多種形態(tài)的DNA納米結構,具體工作如下:1.以小環(huán)DNA為中心,輔以其他直鏈DNA構建DNAtile,然后使用兩種常用的設計,分別是 SAE(semicrossover,antiparallel,and even half-turns;半交叉,反向平行,偶數(shù)倍半周期)和 DAE(doublecrossover,antiparallel,and even half-turns;雙交叉,反向平行,偶數(shù)被半周期),以很短的距離(11/16 bp)來連接DNA tile后完成模塊化自組裝。此外,借助物理上的同相和非同相(In-phase/out of-phase)的概念,我們發(fā)現(xiàn)了兩種同相生長的分子模塊SAE-E(SAE型的DNA tile,tile間的連接距離為偶數(shù)個半周期)和DAE-O(DAE型的DNA tile,tile間的連接距離為奇數(shù)個半周期)。實驗結果,我們用SAE-E的設計結構可以自組裝產(chǎn)生均一大小的DNA納米管,寬度約16-20nm,長度逾14μμm;DAE-E的設計結構可以產(chǎn)生較細長的多層結構,觀察得到類似毛線團的圖案(25-30nm寬)、類似圍巾的納米片(100-300 nm寬)以及納米帶(約100 nm寬)。此外我們還觀察到了令人振奮的組裝過程,一種從凌亂的毛線團逐漸形成納米片的現(xiàn)象。最后,我們根據(jù)小環(huán)DNA的旋轉方向推測納米結構的彎曲現(xiàn)象,并解釋了 DNA納米管和波浪形納米線的形成機制。2.利用DAE-O的設計、以小環(huán)DNA為核心構建二維納米結構,其中DAE-O即Doublecrossover,Antiparallel,and Even half-turns tiles with Odd half-turns connection,雙交叉、反向平行、DNA tile內(nèi)距離為偶數(shù)個半周期、DNA tile間為奇數(shù)個半周期,我們設計了三種尺寸(42 nt,64 nt,84 nt)小環(huán)DNA分別構建DAE。實驗結果表明,以42 nt或64 nt為中心的DNA鏈(直鏈DNA或小環(huán)DNA)構建DAE可以自組裝得到規(guī)則的納米結構;對于含有84 nt小環(huán)DNA的DAE也會自組裝得到二維單晶結構,而含有84 nt直鏈DNA的DAE則只能自組裝得到非典型態(tài)的網(wǎng)狀結構即二維多晶結構。在DNA自組裝過程中,柔韌性和剛性之間的平衡至關重要,以64 nt DNA相對來講有最好的柔性和剛性,所以帶有64 nt DNA的tile能夠得到最好的結果;84 nt小環(huán)DNA有最低的剛性,至于84 nt或更長的線性DNA在構建分子瓦時則減少了剛性增加了柔性,不利于形成多晶納米結構。不同DAE tile的在側面的剛性差別是導致出現(xiàn)不同形態(tài)結構的主要原因。3.利用32 nt的小環(huán)DNA為中心設計了一個三臂模塊、利用42 nt的小環(huán)DNA為中心設計了一個四臂模塊,頂點處采用半交叉結構、連接處采用一個雙螺旋和26 bp的連接距離,自組裝后觀察到了六邊形和四邊形狀小孔的格子結構,但是沒有得到大片規(guī)則結構。三臂結構自組裝形成六邊形的小孔結構,并有延展得到蜂窩狀規(guī)則圖案的趨勢,目前我們獲得的結構中,橫向上有連續(xù)的3-5個規(guī)則小孔,而縱向上的連續(xù)排列可以達10個左右,經(jīng)過部分結構的剖面圖分析可得每個小孔內(nèi)徑為23.4 nm,接近六邊形的理論估算;四臂結構自組裝多為線條,這些結構大多為生長方向基本一致的線條,少部分會靠在一起形成雙條或三條結構,線條長100-200 nm,線條寬20 nm,同時在局部可發(fā)現(xiàn)小的2×2或2×3的網(wǎng)格結構,平均內(nèi)徑13.9 nm,接近四邊形的理論估計。電泳分析結果表明我們可以成功構建三臂和四臂結構,但是其他的雜交、錯配的副產(chǎn)物可能會影響整體大結構的形成,且單個雙螺旋的連接和小尺寸小環(huán)DNA會使整體結構缺乏剛性束縛,難以形成大片規(guī)律結構。
[Abstract]:DNA molecule is a ubiquitous molecule in nature and an important carrier for storing genetic information. In addition, DNA has been proved to be a powerful basic material for constructing nanostructures based on the formation of double-stranded structures by various mating methods. In 1982, American scientist Professor Seeman was subjected to biological recombination of Holiday Ju knot. Inspired by the idea that the first two-dimensional and three-dimensional DNA nanostructures were constructed using only coded base complementary pairings, marking the beginning of DNA nanotechnology. Researchers in this field have constructed static structures such as two-dimensional and three-dimensional nanolattices, nanotubes, polyhedrons and functional devices with arbitrary shapes, such as molecular machines and DNA computers, and are being used in nanomedicine, molecular electronics and other fields. In the research of DNA nanotechnology, rigid DNA modules are the basis of constructing nanostructures. Recently, our research group used enzymatic synthesis of small ring DNA instead of straight chain to construct linear array of DNA rigid modules to self-assemble DNA nanostructures. In this paper, we construct DNA tiles with different modes and connections based on small-loop DNA, and self-assemble DNA nanostructures with various morphologies. The main work is as follows: 1. We construct DNA tiles with small-loop DNA as the center and other linear DNA as the supplement. Then we use two commonly used designs, namely SAE (semi-crossover, anti-parallel, and even half-turns). In addition, with the help of physical in-phase and out-of-phase concepts, we have developed a modular self-assembly method for connecting DNA tiles at very short distances (11/16 bp). Two kinds of molecular modules, SAE-E (SAE-type DNA tiles, with even half-cycle connection distance between tiles) and DAE-O (DAE-type DNA tiles, with odd half-cycle connection distance between tiles), were synthesized. The experimental results show that we can self-assemble DNA nanotubes of uniform size with SAE-E design structure. The width is about 16-20 nm and the length is over 14 nm. The design structure of DAE-E can produce slim and long layers of structure. The patterns of wool-like clusters (25-30 nm wide), scarf-like nanosheets (100-300 nm wide) and nanoribbons (100-300 nm wide) are observed. In addition, the exciting assembly process, a gradual formation of nanosheets from disordered wool clusters, is also observed. Then, we speculate the bending of nanostructures according to the rotation direction of the small-ring DNA, and explain the formation mechanism of DNA nanotubes and wavy nanowires. 2. Using DAE-O design, we construct two-dimensional nanostructures with small-ring DNA as the core, in which DAE-O is Doublecrossover, Antiparallel, and Even half-turns tiles with Odd half-turns conne. We designed three kinds of small ring DNA (42 nt, 64 nt, 84 nt) to construct DAE. The experimental results showed that the DAE with 42 nt or 64 NT centered DNA strands (linear DNA or small ring DNA) could self-assemble into regular nanostructures. In the process of DNA self-assembly, the balance between flexibility and rigidity is very important, and 64 NT DNA has the best flexibility and rigidity. So tiles with 64 NT DNA have the best results; 84 NT DNA has the lowest stiffness, while 84 nt or longer linear DNA reduces stiffness and increases flexibility in building molecular tiles, which is not conducive to the formation of polycrystalline nanostructures. 3. A three-arm module is designed with 32 NT ring DNA as the center. A four-arm module is designed with 42 NT ring DNA as the center. A semi-crossed structure is used at the apex and a double helix and 26 BP connection distance are used at the junction. The lattice structure of hexagonal and quadrilateral small holes is observed after self-assembly, but not large. Three-arm structure self-assembles to form hexagonal pore structure, and has the tendency to extend to form honeycomb-like regular pattern. At present, we have obtained the structure, there are 3-5 regular pores in the horizontal direction, and the vertical continuous arrangement can be up to 10 or so, after section analysis of some structures, we can get the inner diameter of each pore as follows 23.4 nm, close to the theoretical estimate of the hexagon; most of the four-arm structure self-assembly lines, most of which are basically the same direction of growth lines, a few of which will form two or three structures together, lines 100-200 nm long, line width 20 nm, at the same time in the local can be found small 2 x 2 or 2 x 3 grid structure, the average diameter of 13.9 nm, close to The results of electrophoresis analysis show that we can successfully construct three-arm and four-arm structures, but other hybridization, mismatch by-products may affect the formation of the overall large structure, and a single double helix connection and small size ring DNA will make the overall structure lack of rigid binding, it is difficult to form large regular structure.
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q52

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本文編號：2247339