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生物体系的自组装行为激发人们采用“自下而上”的方式,模仿自然体系开发出一些具有全新功能的人工器件,而这些纳米级元件是新一代微电子和微机械器件的基本单元。基于这种考虑,以生物分子作为纳米器件的结构材料受到人们的广泛关注。作为一种优良的高分子材料,核酸具有高度生物相容性,化学性质稳定,结构丰富且可控,良好的刚性和柔性,精确识别等诸多优点。此外,随着合成化学技术的逐渐成熟,核酸的人工合成成本大大降低,也极大地推动了其在功能纳米器件方面研究的发展,并且已经在材料、电子和生物医药等众多领域展现出良好的应用前景。
本论文主要利用化学、材料学、光谱学以及生物化学的实验手段和方法,设计合成了一系列基于核酸的功能化纳米器件。我们以金纳米粒子为探针,利用核酸独特的构象变化和分子识别性质,构建了一个光学pH传感器和适用于特殊结构核酸配体高通量筛选的分析方法。同时,我们利用核酸功能化的介孔二氧化硅纳米粒子,设计了一些刺激响应门控系统,并将它们应用于纳米反应器和细胞内药物可控运载等方面。得到的主要结果有:
1.基于单链核酸富胞嘧啶i-motif结构在不同pH值条件下的形成与解离,设计了一个pH值的比色传感器,能够实现pH5-8区间高灵敏度检测。通过分段线性拟合和交叉验证,得到传感器精确度为0.037。
2.选取人类端粒DNA富G重复序列功能化到金纳米粒子表面作为酶切底物,同时以另一条不能形成四链的DNA为对照序列。采用金纳米粒子非交联聚集的原理,即通过外切酶水解去除作为胶体稳定剂的DNA从而降低纳米金稳定性,实现了四链结合分子的高通量筛选,同时可显著区分其相对结合能力及对四链核酸的选择性。
3.选取c-myc基因P2启动子的关键调控区内可形成三股螺旋的DNA片段作为模型体系,发展了一种以非标记金纳米粒子为光学探针来筛选三股螺旋DNA结合分子的方法。同时,通过紫外热变性实验、圆二色光谱和非变性丙烯酰胺凝胶电泳等传统手段验证了本方法的可靠性。本方法简单灵敏,通用性强,可实现不同序列、不同稳定性的三股螺旋DNA结合分子的筛选。
4.用人类端粒富胞嘧啶DNA四链i-motif结构作为分子阀,修饰到介孔二氧化硅纳米粒子上设计了一个质子驱动的具有可控物质传输功能的纳米容器。由于单个DNA间的高度协同作用,通过加入酸和碱交替改变体系的pH值来调控纳米容器的开闭,还能够实现填充分子的脉冲式释放。以小分子CPM为探针装载到MSP孔道中,构建了一个pH依赖性的反应器模型,实现了疏水分子在水溶液中的化学反应。另外,基于CPM对巯基试剂的特异性识别和i-motif结构随pH值改变发生构象转化的特性,MSP-CPM体系还在巯基小分子和pH值检测等传感器设计方面有潜在的应用价值。
5.选用自互补的双链DNA结构作为分子阀,通过一价铜催化的Click反应修饰到介孔二氧化硅纳米粒子上,设计了一个具有温度和酶水解依赖性的双重刺激响应的药物载体。同时,将FITC共价连接到介孔二氧化硅框架结构中作为内参标准,证实了MSP-DNA体系能够有效地将包括疏水性药物喜树碱和亲水性药物去氧氟尿苷等不同类型的分子运载到癌细胞内,并对胞内核酸酶作出响应达到可控释放,显著促进了细胞凋亡。