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单链DNA编码金纳米粒子 实现动态“纳米”分子反应

872    2020-01-02

       近日,中国科学院上海高等研究院光源科学中心物理生物学研究室、中国科学院上海应用物理研究所和上海交通大学合作发展了一种用单链DNA编码金纳米粒子的方法,并实现了动态“纳米”分子反应。该方法通过设计一条多嵌段的单链DNA序列,可以赋予金纳米粒子类似原子的离散价态和正交价键。这些“纳米”原子则可通过DNA分子反应组装成各向异性的“纳米”分子,并进而产生“纳米”分子反应。
 
  脱氧核糖核酸(英文DeoxyriboNucleic Acid,缩写为DNA)是生物细胞内含有的四种生物大分子之一核酸的一种。DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息,是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。DNA由脱氧核苷酸组成的大分子聚合物。脱氧核苷酸由碱基、脱氧核糖和磷酸构成。其中碱基有4种:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。
 
  DNA 分子结构中,两条多脱氧核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕,构成双螺旋结构。脱氧核糖-磷酸链在螺旋结构的外面,碱基朝向里面。两条多脱氧核苷酸链反向互补,通过碱基间的氢键形成的碱基配对相连,形成相当稳定的组合。
 
  对微观尺度的分子或材料进行精确的动态调控,体现了人类对微观世界的认知与操控能力。然而,对纳米粒子的精确动态调控仍然充满挑战。在生物体中,生物分子机器具有极为精巧的结构并受到严密的时空调控,而这些复杂结构的时空排布信息是由一维的DNA分子序列所编码而成的。受此启发,该团队提出利用多嵌段的单链DNA序列来编码金纳米粒子表面的价键信息,进而构建具有离散价态与正交价键的“纳米”原子。
 
  纳米粒子是指粒度在1—100nm之间的粒子(纳米粒子又称超细微粒)。属于胶体粒子大小的范畴。它们处于原子簇和宏观物体之间的过度区,处于微观体系和宏观体系之间,是由数目不多的原子或分子组成的集团,因此它们既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。
 
  纳米粒子表面活化中心多,这就提供了纳米粒子做催化剂的必要条件。目前,用纳米粒子进行催化反应可以直接用纳米微粒如铂黑、银、氧化铝、氧化铁等在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中做催化剂,可大大提高反应效率,利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应触媒,燃烧效率可提高100倍;催化反应还表现出选择性,如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明,镍粒径在5nm以下时选择性急剧变化,醛分解得到控制,生成酒精的选择性急剧上升。
 
  以这些“纳米”原子为基元,可以通过正交的DNA配对自组装形成具有精确颗粒数和各向异性的“纳米”分子。而这些“纳米”分子在合成后仍然具备可重排的能力。因而,利用DNA链取代反应,可以引发动态的“成键”与“断键”,模拟加成、分解、置换和复分解等多种基本化学反应。他们还基于这一体系设计了单颗粒逻辑门,并集成为“投票机”逻辑电路。当多数输入信号为正(“赞成票过半”)时,“纳米”分子解离;当只有少数信号为正时,“纳米”分子不发生解离反应。这些精确组装而具有动态响应能力的纳米“原子”和“分子”有望应用于生物智能诊断与治疗等领域。
 
  资料来源:上海高等研究院、百科、仪表网

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