近日，中國科學(xué)院上海高等研究院光源科學(xué)中心物理生物學(xué)研究室、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所和上海交通大學(xué)合作發(fā)展了一種用單鏈DNA編碼金納米粒子的方法，并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)“納米”分子反應(yīng)。該方法通過設(shè)計(jì)一條多嵌段的單鏈DNA序列，可以賦予金納米粒子類似原子的離散價(jià)態(tài)和正交價(jià)鍵。這些“納米”原子則可通過DNA分子反應(yīng)組裝成各向異性的“納米”分子，并進(jìn)而產(chǎn)生“納米”分子反應(yīng)。該工作以Programming nanoparticle valence bonds with single-stranded DNA encoders 為題于Nature Materials 在線發(fā)表。姚廣保、李江、李茜和陳曉亮為論文的共同第一作者，中科院院士樊春海與荷蘭格羅寧根大學(xué)Bernard L. Feringa院士為共同通訊作者。該工作還得到上海光源BL19U2小角散射線站的支持。

對微觀尺度的分子或材料進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)調(diào)控，體現(xiàn)了人類對微觀世界的認(rèn)知與操控能力。然而，對納米粒子的精確動(dòng)態(tài)調(diào)控仍然充滿挑戰(zhàn)。在生物體中，生物分子機(jī)器具有極為精巧的結(jié)構(gòu)并受到嚴(yán)密的時(shí)空調(diào)控，而這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的時(shí)空排布信息是由一維的DNA分子序列所編碼而成的。受此啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)提出利用多嵌段的單鏈DNA序列來編碼金納米粒子表面的價(jià)鍵信息，進(jìn)而構(gòu)建具有離散價(jià)態(tài)與正交價(jià)鍵的“納米”原子。以這些“納米”原子為基元，可以通過正交的DNA配對自組裝形成具有精確顆粒數(shù)和各向異性的“納米”分子。而這些“納米”分子在合成后仍然具備可重排的能力。因而，利用DNA鏈取代反應(yīng)，可以引發(fā)動(dòng)態(tài)的“成鍵”與“斷鍵”，模擬加成、分解、置換和復(fù)分解等多種基本化學(xué)反應(yīng)。他們還基于這一體系設(shè)計(jì)了單顆粒邏輯門，并集成為“投票機(jī)”邏輯電路。當(dāng)多數(shù)輸入信號為正（“贊成票過半”）時(shí)，“納米”分子解離；當(dāng)只有少數(shù)信號為正時(shí)，“納米”分子不發(fā)生解離反應(yīng)。這些精確組裝而具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的納米“原子”和“分子”有望應(yīng)用于生物智能診斷與治療等領(lǐng)域。

圖1 利用單鏈DNA編程的多種“納米分子”

圖2 基于納米分子動(dòng)態(tài)反應(yīng)的投票機(jī)邏輯電路

轉(zhuǎn)載自：http://www.cas.cn/syky/201912/t20191230_4729773.shtml