[發明專利]一種DNA催化網絡調控的納米粒子結晶的方法

在審

• 申請號: 202010122120.4
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN111321137A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 梁好均;周翔;姚東寶
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C12N15/10
• 分類號: C12N15/10;C12N15/11;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周天宇

本發明提供了一種DNA催化網絡調控的納米粒子結晶的方法，包括：S1，設計并合成反應體系中所需要的單鏈DNA；S2，利用化學修飾的方法制備單鏈DNA功能化的納米粒子；S3，退火得到帶有被保護黏性末端的雙鏈DNA以及雙鏈DNA修飾的納米粒子；S4，退火得到用于構建DNA催化網絡的三鏈底物鏈；S5，向由底物鏈、燃料鏈和雙鏈DNA修飾的納米粒子組成的反應體系中加入催化鏈，引發DNA催化網絡的運行、釋放引發鏈并調控納米粒子結晶。

技術領域

本發明涉及DNA納米技術領域，具體涉及一種DNA催化網絡調控的納米粒子結晶的方法。

背景技術

Watson-Crick堿基互補配對的特異性和可預測性使DNA成為一種功能強大的納米材料。通過程序化設計DNA鏈之間的反應，這種DNA納米材料可用于構建各種具有復雜結構和不同功能的DNA納米結構和納米器件。其中，在動態DNA納米技術領域，DNA鏈替換作為一類特殊的DNA反應受到人們的廣泛關注。DNA鏈替換反應是兩條部分或完全互補的DNA鏈相互雜交的同時替換掉一條或多條預先雜交的DNA鏈的過程，通常由一個短的單鏈懸掛端區域(稱為toehold)引發。反應過程中釋放的單鏈DNA可以進一步引發下游反應，從而構成復雜的反應體系。因此，DNA鏈替換反應被廣泛應用于構建各種DNA納米器件，如DNA反應線路、催化放大器、自動的分子行走及可重構的DNA納米結構等。

在材料科學領域，納米粒子可作為結構單元通過自下而上的方式組裝形成各種納米材料。通過精確調控粒子間的相互作用，這些納米粒子能夠被誘導形成新的物質形態。例如，將DNA分子接枝到納米粒子表面可以在粒子之間形成特異性的相互作用。這種DNA修飾的納米粒子也被稱為“可編程的原子等價物”(PAEs)。和原子一樣，PAEs可以通過組裝形成三維超晶格結構；而區別于原子的是，PAEs本身攜帶的信息(粒子表面的DNA序列)可以用來調控粒子間的相互作用，從而程序設計平衡態的晶體結構。目前，Mirkin等人利用DNA功能化的金納米粒子作為結構單元進行組裝，能夠制備得到各種不同晶型的超晶格結構，如面心立方、體心立方、AlB₂型、Cs₆C₆₀型等。

通常情況下，這種DNA誘導的納米粒子組裝在常溫下易于形成無序結構，需要經過退火處理得到長程有序排列的超晶格結構。然而，相比于游離狀態下的雙鏈DNA，DNA修飾的納米粒子組裝體具有更窄的熔融轉變區間(約2-8℃)。因此，為制備高質量的納米粒子超晶格，通常需要嚴苛的退火條件。此外，對于高溫下結構和性能不穩定的納米粒子，利用退火的方法制備超晶格結構難以實現。

發明內容

(一)要解決的技術問題

解決退火方法在制備納米粒子超晶格材料上的不足；建立DNA催化網絡調控的納米粒子結晶的方法，并利用該方法在常溫下制備納米粒子超晶格材料。

(二)技術方案

本發明提供了一種DNA催化網絡調控的納米粒子結晶的方法，所述方法的實施原理參閱圖4，圖4示意性示出了DNA催化網絡調控的納米粒子結晶原理圖。具體地，反應體系由三鏈底物鏈、單鏈燃料鏈和雙鏈DNA修飾的納米粒子(雙鏈DNA-納米粒子)構成。初始狀態下，雙鏈DNA-納米粒子表面的黏性末端(區域f)被完全或部分保護，雙鏈DNA-納米粒子無法通過黏性末端的雜交進行組裝，因此反應體系保持穩定。當向反應體系中加入催化鏈后，催化鏈中的區域a*與底物鏈中的toehold區域a結合，引發DNA鏈替換反應。反應完成后，中間產物中產生新的toehold區域c，繼續引發新一輪和燃料鏈之間的DNA鏈替換反應。最終釋放出兩條單鏈DNA：其中催化鏈繼續驅動DNA催化網絡的運行；引發鏈隨后替換掉雙鏈DNA-納米粒子上的保護鏈，同時釋放出黏性末端(區域f)。通過不斷釋放的黏性末端之間的雜交，納米粒子之間的相互作用隨時間逐步增強，表現出一種時間依賴的相互作用機制。在這種機制下，納米粒子逐步完成組裝并進一步通過調控粒子間的相互作用組裝得到超晶格結構。