电子科大&德国莱布尼茨材料研究所Angew. Chem. Int. Ed.：4维DNA金纳米颗粒组件

【引言】

近年来，由于Mirkin和Alivisatos率先利用寡核苷酸通过利用特定的碱基配对来组织金纳米结构，这一概念迅速引起了人们的广泛关注，并在大量基于DNA的胶体组装中蓬勃发展，包括非晶簇、定义明确的有限“类分子”和无限的“类晶态“架构。DNA金纳米结构无疑是最重要的纳米材料之一，具有许多潜在的应用范围，例如作为传感器以及光电子器件。在已报道的这些结构中，绝大多数是非可重构的静态组装，它们往往表现出单一的物理化学性质。同时由于DNA的杂交是可编程的，由此可以设计出相应的动态DNA-Au纳米系统，其中不同状态的组装可以通过链杂化反应操纵。在这些系统中，所有的稳态通常是热力学上有利的，并且保持无限稳定，除非外部触发器被引入系统。因此，在这些可切换组件中，自我调节和自主时间可编程性还不可行。

近日，电子滚球体育 大学赵辉教授，德国亚琛莱布尼茨材料研究所Andreas Herrmann教授和郑立飞博士（共同通讯作者）提出一种通过添加结构信息（即时间分量）的附加维度来制作4维金纳米结构的新颖方法。文章第一作者为电子滚球体育 大学与莱布尼茨材料研究所共同培养博士后罗明博士。本文系统的耗散特性是通过利用DNA作为燃料并通过核酸外切酶III（Exo III）消化这种DNA燃料作为能量耗散途径来实现的。同时展示了对于由球形金纳米粒子(AuNPs)和金纳米棒(AuNRS)定义良好的核-卫星结构组成的非晶簇的时间控制的中心概念。此外，DNA杂交的高特异性使之能够证明在包含较小和较大球形AuNPs和AuNRs的单一混合物中，选择性激活了更高复杂性的多种结构的进化，证明了DNA作为可编程燃料的巨大潜力。相关研究成果以“4-Dimensional DNA-gold nanoparticle assemblies”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文导读】

图一、以DNA链为燃料，Exo III为能量耗散元件的球形AuNPs耗散聚类的示意图

图二、Exo III在非耗散条件下燃料链消化的选择性

（a）非耗散条件下Exo III对燃料链消化的凝胶电泳分析；

（b）在8 U/μL酶存在下，加入燃料DNA(0.04 nmol)后每5分钟测定一次紫外-可见吸收光谱；

（c）在上述条件下的DLS测量结果；

（d）在8U/μL酶存在下，在10和25分钟加入燃料DNA(0.04nmol)前后获得TEM图像。

图三、以恢复时间为参数，量化耗散聚类过程对酶浓度和燃料浓度的依赖性

（a）在2 U/μL、4 U/μL、6 U/μL和8 U/μL酶存在下不同循环的恢复时间；

（b）在6 U/μL酶存在下，恢复时间与燃料DNA量(0.04nmol、0.08nmol、0.12nmol和0.16nmol)之间呈线性关系；

（c）在8 U/μL酶存在下，连续加入燃料DNA后，吸收最大波长的变化；

（d）在8 U/μL酶存在下，连续加入燃料DNA后，在522nm处吸收。

图四、构建定义明确的耗散AuNPs结构

（a）核-星结构耗散组装在15-AuNPs和AuNRs之间的结构演化示意图；

（b）在AuNRs上组装的15个AuNPs的时间依赖性；

（c）核-星结构结构演化的TEM图像研究；

图五、一定的时间过程中以不同的DNA序列激活时组装成不同的结构

（a）15-AuNPs、55-AuNPs和AuNRs的耗散组装核-星结构的连续结构演化示意图；

（b）在AuNRs和球形55-AuNPs上组装的15-AuNPs的时间依赖性；

（c）透射电镜研究通过连续添加两个燃料DNA序列激活的耗散核-星的连续结构演化。

【小结】

总而言之，作者提出了一种利用纳米科学领域的耗散组装系统的新方法，以DNA为燃料，以Exo III为能量耗散单元，实现了系统的耗散特性。与其他合成化学系统相比，在这里提出的一个重要点是DNA杂交的高特异性的方便应用，使得能够选择性激活具有较高复杂性的混合体系中多个体系结构的演化。最近的工作表明，结构的动态变化组装的AuNPs可以调节它们与活细胞的相互作用。 这表明了具备自发结构演变特征的DNA燃料纳米系统可以用来创造新功能，例如感知、细胞相互作用的自我调节或逻辑操作。此外，考虑到对AuNPs表面等离子体共振的动态控制的长期兴趣，相信这项工作将启发未来设计基于DNA的具有自主行为和时空可控性的非平衡等离子体纳米系统。

文献链接：“4-Dimensional DNA-gold nanoparticle assemblies”(Angew. Chem. Int. Ed.，2020，10.1002/anie.202007616 )

赵辉教授，博士生导师，国家青年人才，主要研究方向包括响应性高分子、非平衡态超分子自组装、生物材料等领域，共发表学术论文40余篇，文章被引用2800多次，单篇最高引用400余次；其中以第一或通讯作者发表Nature Nanotechnology.; Nature Chemistry.; Angewandt Chemie.; Macromolecules等化学材料知名期刊论文15篇。另有专利授权2项。担任J.Macromolecular Sci.Part A副主编，Polymers的客座编辑。课题组网页：https://www.x-mol.com/groups/zhaohui

本文由材料人CYM编译供稿。