南开大学Angew. Chem. Int. Ed.综述：仿生DNA纳米管的纳米级通道设计和应用

【引言】

自然进化的生物大分子纳米管包括膜通道对于细胞而言是至关重要，其能够为跨膜离子/分子通道、细胞内转运和细胞间通信提供结构支持，而且这些通道往往显示出基于电荷、大小、润湿性和选择性识别的特征门控行为。在活细胞中，这些蛋白质纳米管的形成是在严格的时空控制下经由遗传编码得到的，难以在实验中实现复制。近年来，随着纳米技术的蓬勃发展，各种人工设计的有机或无机纳米管在生物物理学、光子学和电子学等领域中展现出巨大的应用潜力。其中，植根于结构DNA纳米技术的仿生DNA纳米管由于其生物学性质和设计灵活性而引起了人们的浓厚兴趣。目前DNA的分子维度已被很好地理解，因而DNA纳米管的几何参数可以实现精确编程，另一方面，复杂软件的使用让结构设计变得更加容易。此外，DNA合成的放大策略也使得大规模生产DNA纳米管成为可能。受益于这些独特的性质和研究成果，仿生DNA纳米管已经从简单的结构演变为复杂的结构，并且其在人工膜通道、货物输送和生物反应器等方面的应用正在迅速出现。

【成果简介】

近日，南开大学林建平教授（通讯作者）与上海交通大学樊春海教授（通讯作者）在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Biomimetic DNA Nanotubes: Nanoscale Channel Design and Applications”的综述。在这篇综述中，作者专注于仿生DNA纳米管的结构设计、表征和应用的总结，并指出DNA纳米管的通道能够为药物持续释放、生物反应器和跨膜通道提供精确的纳米级空腔，而外表面的刚性支架和多个有序连接位点可用作货物运输载体和模板。此外，由于仿生DNA纳米管的良好的生物相容性和可编址性，它们在生物成像和治疗方面也显示出巨大的潜力。

【图文导读】

图1 具有确定和未定长度的DNA纳米管的设计策略

(a₁) 从DNA“瓷砖”设计的6HB结构；

(a_2-4) 由蜂窝状、方形和六角形螺旋排列的DNA折纸组装的DNA纳米管；

(b₁) 由单链“瓷砖”组装而成的具有可编程圆周的DNA纳米管；

(b₂) 由DNA连接器控制的DNA纳米管的包裹；

(b₃) 组装互连分子标志和DNA纳米管的曲率；

(b₄) 由垂直排列的梯级构成的三角形DNA纳米管。

图2 仿生DNA纳米管作为药物递送载体

(a) 负载在30HB DNA纳米管上的62个CpG序列；

(b) Dox负载到平直和扭曲的DNA纳米管中；

(c) 病毒衣壳蛋白负载在DNA纳米管上，由矩形DNA折纸包裹。

图3 DNA纳米管作为纳米模板

(a) 通过将AuNP附着在24螺旋DNA纳米管上形成的手性等离子体纳米结构；

(b) 上图：肌球蛋白锚定在DNA纳米管上增强了肌动蛋白丝的流动性；下图：沿肌球蛋白纳米管（红色）移动的两条肌动蛋白丝（绿色）的连续图像；

(c) 上图：用于高分辨率成像的连接在DNA纳米管上的成像链；下图：DNA纳米管的超分辨率图像；

(d) 转录前后在六螺旋束路径上移动DNA行走机器人。

图4 基于DNA纳米管的跨膜通道

(a) 六螺旋束携带由硫代磷酸酯修饰形成的跨膜疏水带；

(b) 由跨膜茎和胆固醇修饰的帽组成的DNA孔；

(c) 在卟啉的帮助下双链DNA形成的离子通道；

(d) 跨越具有胆固醇修饰的脂质双层的DNA孔蛋白。

图5 基于DNA纳米管的多酶生物反应器

(a) 包含G6pDH和组装在DNA“瓷砖”纳米管上MDH的多酶复合物；

(b) DNA折纸构成的DNA纳米管中发生的GOx和HRP级联反应；

(c) 基于管状DNA折纸的GOx和HRP反应。

图6 基于DNA纳米管的DNA纳米机器人

(a) 通过添加“钥匙”链（绿色）以移除“锁”链（红色）来打开离子通道；

(b) 添加链来释放AuNP以选择性地打开DNA纳米管；

(c) 核仁素刺激管状纳米机器人调整构象形成矩形DNA折纸；

(d) 由电场控制的纳米级机器人手臂。

【小结】

在这篇综述中，作者简要总结了DNA纳米管的设计策略以及利用其结构特征实现的应用。同时，对于现实世界的生物学应用仍然存在挑战，比如精确控制细胞中的货物释放仍然很困难。最后，作者也指出DNA纳米管的合成产率、纯度和规模的提升对于诸多应用的改善具有重要作用。总之，虽然目前挑战仍然存在，DNA纳米技术的显著研究进展还是使得我们可以展望仿生DNA纳米管将对基础生物学研究和现实世界的医疗保健产生重大影响。

文献链接：Biomimetic DNA Nanotubes: Nanoscale Channel Design and Applications(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201807779)

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