楊蓓 李茜 柳華杰? 樊春海?

1) (同濟大學化學科學與工程學院, 上海自主智能無人系統(tǒng)科學中心, 先進土木工程材料教育部重點實驗室, 上海 200092)

2) (上海交通大學化學化工學院, 上海 200240)

1 引 言

以原子為出發(fā)點, 探索原子尺度精準性對于物質性能的重塑性, 挑戰(zhàn)自最基本層次開始的材料與器件制造, 一直是全世界研究人員追求的目標.當使用原子作為材料的基本構筑單元時, 許多物理和化學特性都將顯著有別于宏觀狀態(tài), 原子制造的材料不能再通過經典力學、宏觀統(tǒng)計分析等理論來解釋, 而是以量子理論作為核心基礎進行探討, 因此原子制造將極大程度上有別于傳統(tǒng)制造, 并產生許多新穎特性.例如, 在拓撲絕緣體表面摻入磁性原子形成長程鐵磁序, 無需外加磁場, 就能形成穩(wěn)定的基本沒有耗散的量子反?；魻栃猍1,2]; 利用原子作為量子比特的載體, 有望發(fā)展全新的量子計算機, 有效屏蔽外界干擾, 高速并行處理大量數據[3];此外, 最近發(fā)展的單原子催化劑基于單個金屬原子能級結構和電子結構的根本變化, 較一般的金屬團簇或納米顆粒催化劑有更為高效的催化效率和原子利用率[4,5].

與納米制造類似, 原子制造既可以通過“自上而下”的原子操縱技術, 也可以通過“自下而上”的原子組裝技術實現.原子操縱最早借助于掃描隧道顯微鏡(scanning tunnelling microscopy, STM)一個一個地精準控制原子的捕獲、移動和放置來實現.例如, 1990 年IBM 的科學家在人類歷史上首次通過STM 針尖操控35 個氙原子, 拼出了“IBM”三個字母[6], 隨后又在銅表面均勻排布了48 個原子的圓圈構成“量子圍欄”[7].另一種捕獲并操縱單原子的方法, 則需要在超高真空環(huán)境下利用磁光阱將原子冷卻到接近絕對零度并困住, 再采用一個非常小的光阱來捕獲單個原子[8].以上兩種技術需要極低溫和超真空的特殊操作環(huán)境, 控制原子的技術成本很高, 這極大地制約了原子制造的進一步推廣.近些年來, 自下而上的自組裝技術在材料構筑,特別是納米材料和器件的制備方面吸引了越來越多的注意力.自組裝不僅從技術上解決了許多微觀世界的構筑難題, 也從理念上給了科學家更多的啟發(fā), 尤其是在利用交叉領域知識迎接新挑戰(zhàn)方面.早在1959 年, 著名物理學家Richard Feynman 談及微觀世界的操控技術, 就曾指出可通過自下而上的組裝手段構建原子微型機器, 在原子尺度上進行各種機械操作, 為原子制造描繪了宏偉的藍圖[9].

核酸作為一類生物大分子, 傳統(tǒng)上被認為是生物攜帶遺傳信息的物質, 在生物遺傳、變異和蛋白質的生物合成中具有極其重要的作用.然而, 基于對核酸結構的深入思考, 可以發(fā)現其本身就是具有原子級精準度的納米自組裝材料.核酸從化學結構上可認為是核苷酸的聚合物, 自然界中的核酸根據核苷酸中五碳糖的不同分為脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)兩類.以DNA 為例, 它是由四種脫氧核苷酸組成的鏈狀聚合物, 每個核苷酸包含一個磷酸基團, 一個脫氧核糖和一個堿基, 其中堿基可以是腺嘌呤(A)、鳥嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)或胸腺嘧啶(T).需要指出的是, DNA 精確的分子識別特性決定了它結構組裝上的精準性.遵循Watson-Crick配對原則, A 與T, G 與C 之間通過氫鍵相互配對, 再借助堿基對之間的π-π 堆積作用及磷酸骨架的親水作用, 自組裝形成具有雙螺旋結構的DNA分子.這些雙鏈DNA 分子具有精確納米尺寸的螺旋直徑(2 nm)和螺距(3.4 nm, 約10.5 堿基對),結構中的每個原子和化學鍵都具有確定的位置和數量.此外, 除了常見的DNA 雙螺旋結構, 在細胞內存在的核糖開關[10]、核酶[11]、環(huán)狀RNA[12], 以及在端粒基因組中發(fā)現的更為復雜的四鏈折疊結構G 四鏈體[13]和i-motif[14]等, 也都是精準自組裝的產物, 在發(fā)揮重要生物學功能的同時, 也反映出核酸結構的靈活多樣性與可調控性, 更豐富了可利用的核酸材料范圍.

因此, 對核酸分子的研究啟發(fā)了物理、化學和材料科學家, 20 世紀80 年代初Seeman 教授基于“利用DNA 框架進行蛋白質結構解析”這一愿景,首先提出DNA 用作可編程納米構筑材料的概念,發(fā)展出“DNA 納米技術”這一新領域[15,16].基于具有原子級精度的DNA 分子, 通過序列設計對DNA雜交配對過程進行程序化控制, 研究人員成功構建了多樣的人工DNA 納米結構, 如納米瓦塊陣列[17,18]、納米結[19]、多面體[20,21]等.2006 年Rothemund[22]開發(fā)的DNA 折紙技術進一步推動了DNA 納米技術的發(fā)展, 該方法利用幾百條短單鏈(訂書釘鏈)引導一條幾千堿基的長單鏈(骨架鏈)按設計的形狀折疊, 可以獲得特定的百納米級大小的二維甚至三維結構.利用DNA 折紙術強大的圖案化能力,可以構筑可尋址的核酸框架結構對納米顆粒、蛋白質、聚合物等基元進行精準組裝實現功能化, 以及將其自身作為模塊進行更高級組裝[23].這種具有精確框架結構并具備特殊物理、化學和生物學功能的框架核酸(framework nucleic acids, FNAs), 提供了在納米甚至原子尺度上進行力學、光學和電學等物理性質, 以及單分子水平化學與生化反應的精準調控手段.發(fā)展至今, DNA 自組裝結構因其良好的組裝效率和可靠性在納米制造領域已經得到廣泛的認可, 基于框架核酸的理念, 人們已經實現了多種分子或材料精確的空間組織, 以探究其在納米機器[24]、信息處理[25]、生物傳感[26]和疾病診療[27]等領域的廣泛應用.

由此可見, 框架核酸理念的出現賦予了核酸分子新的深層次價值.精細設計和組裝獲得的一維到三維的框架結構作為空間可尋址的平臺, 有望從應用層面對單個至多個原子進行精準定位、有序排布或定向移動, 逐步實現從原子到宏觀的精確功能化, 對于探索原子制造接軌實際應用具有重要意義.本文將圍繞框架核酸與原子制造兩個前沿方向的交叉融合, 進行簡單的全景描述與未來展望.首先將介紹體現原子精準性的框架核酸結構構建, 然后描述利用框架核酸進行功能化的一般策略, 最后著重介紹其在器件構筑方面的研究進展, 并探討面向原子制造的未來發(fā)展方向, 利用框架核酸進行原子級精準構筑的優(yōu)勢和前景.

2 框架核酸的結構組裝與功能化

2.1 框架核酸結構組裝

人工設計的框架DNA 核酸結構最早是DNA瓦塊(tile)結構[28].DNA 瓦塊單元指由幾條至幾十條DNA 短鏈(幾十個堿基)按照化學等比例退火合成獲得的納米級組裝模塊, 通常被設計為具有多個分支狀, 并在雙鏈分支末端添加單鏈區(qū).單個瓦塊結構中所有原子數量與位置都是精確可控的,通過合理設計單鏈黏性末端的序列, DNA 瓦塊單元之間可以進行自組裝(圖1(a)), 并獲得高級的一維或三維組裝結構, 例如一維納米線和納米管[29]、二維周期性陣列[30,31]、三維四面體[20](圖1(b))、立方體[32]、類富勒烯結構[21](圖1(c))、甚至DNA 晶體[33]等.同樣, 用RNA 瓦塊單元參與自下而上的組裝過程, 可以構建一些RNA 納米結構[34], 如RNA棱柱體[35]、多面體[36]等.但是, 核酸瓦塊的組裝過程中需要嚴格控制組分的化學計量比, 組裝效率不高, 反應過程耗時且容易出錯, 另外組裝結構的復雜性也受限制.

2006 年Rothemund[22]開發(fā)的DNA 折紙(origami)技術很好地彌補了瓦塊組裝的不足, 可以快速、精確地組裝出矩形、正方形、三角形、五角星、笑臉等復雜的納米圖案(圖1(d)).同年, 中國的研究團隊[37]利用類似技術成功組裝了首個不對稱的二維平面結構—仿中國地圖.此后, 出現了更多二維甚至三維的折紙結構, 例如納米盒子[38]、蜂窩結構[39]、線框結構[40?42](圖1(e))、納米花瓶[43](圖1(f))等.多個團隊還開發(fā)了Tiamat[44], caDNAno[45]和DAEDALUS[46]等設計軟件, 方便更多研究人員的參與.單個DNA 折紙結構的大小受到骨架鏈長度的限制, 因此研究人員進一步探索了將多個折紙單體組裝為更大結構[47?50].例如, 在近期的一項工作中, Tikhomirov 等[50]以類似拼圖的形式將64 個方形DNA 折紙模塊分形組裝, 構建出蒙娜麗莎、公雞和細菌等微米級別的復雜圖案(圖1(g)).

除了靜態(tài)的自組裝框架結構, 核酸的雜交過程可編程特性更賦予了這些框架作為納米機器的潛力.動態(tài)核酸結構的調控依賴于其構象變化, 驅動機制包括核酸雜交、底物識別和環(huán)境響應刺激等.最典型的核酸機器基于DNA 鏈置換反應驅動, 由于不同長度和序列DNA 單鏈之間互補配對的結合能力不同, 通過添加特定的DNA 單鏈作為燃料鏈, 驅動DNA 分子機器構象變化[51].由于一些特定核酸序列對離子、小分子和蛋白質的特殊識別作用, 還可以設計出具有底物識別作用的核酸機器[52],例如核酸適配體就是一類可識別特定底物發(fā)生構象轉變的核酸材料.此外, 某些核酸序列還具有環(huán)境響應性, 例如富含C 堿基的一些序列可在酸性條件下形成四鏈i-motif 結構, 而堿性環(huán)境又回復到單鏈結構, 因此可設計出pH 驅動的核酸機器[53].

圖1 典型框架核酸結構: DNA 瓦塊和DNA 折紙結構 (a) DNA 瓦塊組裝成的二維晶格[28]; (b) DNA 四面體[20]; (c) 類富勒烯結構[21]; (d) DNA 折紙設計圖及幾種二維平面折紙結構[22]; (e) 球形[40]、花鳥圖案[42]和兔子[41]線框DNA 折紙結構; (f) DNA 納米花瓶結構[43]; (g) 16 個折紙模塊組成的蒙娜麗莎圖案[50]Fig.1.Typical FNAs: DNA tile and DNA origami: (a) DNA four-way junction[28]; (b) DNA tetrahedron[20]; (c) DNA buckyball selfassembled by three-point-star DNA tiles[21]; (d) 2D DNA origami structures[22]; (e) sphere[40], flower-and-bird pattern[42] and bunnyshape[41] wireframe DNA origami structures; (f) nanoflask DNA origami structure with complex curvatures[43]; (g) a Mona Lisa pattern self-assembled by 16 DNA origami tiles[50].

隨著DNA 折紙等復雜框架結構的出現, 對核酸機器的研究進入了新的階段.折紙結構具有更多的精準定位位點、更好的構象變化可操控性以及維度轉換的能力, 因此適用于更復雜機器構建以及多功能體系的集成研究.Andersen 等[38]設計了一個可開合的DNA 納米盒子, 為框架核酸的可控裝載功能開發(fā)提供了新思路.Lund 等[54]將二維DNA折紙作為基底, 構建了可在特定路徑上行走的DNA仿蜘蛛機器人.Turberfield 課題組[55]設計了一種可以在DNA 折紙表面構筑的線性軌道上進行連續(xù)勻速步進的DNA 分子馬達.

2.2 框架核酸結構的精準功能化

利用框架核酸結構的原子精準性, 進行功能基元的精準定位, 能夠充分體現框架核酸在功能調控方面的優(yōu)勢.框架核酸進行功能化定位的方式一般有兩種: 一是通過核酸化學合成及修飾技術將熒光基團、化學及生化偶聯基團、具有光電等性質的合成分子等各種化學基團共價修飾到核酸鏈上; 二是設計互補序列雜交, 實現無機納米顆粒、蛋白質、功能核酸等大分子在框架核酸上的精準組裝.兩種方法共同實現了功能基元在框架核酸各個位置上高效率的空間定位, 且框架核酸的結構穩(wěn)定性和核酸分子的特異性雜交使得定位的抗噪性得到了很好保障.Tinnefeld 課題組[56]在DNA 折紙的指定位點進行熒光基團標記, 可作為納米標尺來校準超分辨顯微鏡.Li 等[57]開發(fā)了一種以DNA 四面體作為剛性節(jié)點的分形DNA 框架, 構建了低串擾、多色編碼的超復合熒光放大器, 用于識別單分子及活細胞.Lu 等[58]在DNA 四面體邊緣的特定位置修飾亞甲基藍和二茂鐵分子, 來探討四面體框架空間介導的電荷輸運機制.而將脂質體這類兩親分子在DNA 框架模板上的組裝, 可構建出高度單分散的100 nm 以下的單膜脂質囊泡[59].

圖2 框架核酸介導納米顆粒組裝 (a) DNA 瓦塊介導AuNPs 組裝成二維陣列[60]; (b) 三角形DNA 納米管封裝的AuNP 線[62];(c) DNA 折紙模塊介導AuNPs 形成平面陣列[63]; (d) DNA 單鏈編碼的AuNPs 組裝成分支狀類分子結構[65]Fig.2.FNAs-directed nanoparticles assembly: (a) 2D AuNP arrays self-assembled by DNA tiles [60]; (b) AuNP lines size-selective encapsulated within triangular DNA nanotubes[62]; (c) 2D AuNP arrays directed by DNA origami tiles[63]; (d) branched molecule-like structures self-assembled by single-stranded DNA encoded AuNPs[65].

金納米粒子(gold nanoparticles, AuNPs)等更大粒徑的顆粒也可實現在核酸框架結構上的精準排布, 形成各種寡聚體、一維至三維晶格等.最初, Seeman 課題組[60]利用DNA 瓦塊構建了AuNP二維平面陣列(圖2(a)), 之后Sharma 等[61]在將AuNPs 組裝到二維DNA 瓦塊陣列時發(fā)現AuNPs間的靜電斥力會誘導DNA 納米管的形成, 產生多種環(huán)狀與螺旋狀的AuNP 陣列.Lo 等[62]組裝了一種空腔大小交替排列的三角形DNA 納米管, AuNPs被尺寸選擇性地封裝到大空腔中(圖2(b)).DNA折紙框架的出現為構建更復雜有序的AuNP 組裝體指明了方向.Gang 課題組[63]將AuNPs 預先嵌入平面DNA 折紙框架模塊中, 利用DNA 折紙模塊之間選擇性組裝, 設計了周期排列的平面介觀納米粒子結構(圖2(c)).他們還選用三種不同的多面體DNA 折紙框架, 將AuNPs、量子點和蛋白質作為客體分子封裝在折紙框架中, 通過DNA折紙框架模塊之間自組裝間接構建納米粒子超晶格結構[64].除此之外, Yao 等[65]還利用單鏈DNA將AuNPs 編碼成具有正交價鍵的類原子納米粒子, 通過DNA 鏈間的雜交反應將AuNPs 自組裝成具有不同組成、大小、形狀的低配位類分子結構(圖2(d)).

基于核酸分子本身的性質, 還可以通過靜電、配位和嵌入等多種方式與其他物質進行相互作用,并進而引導原子的原位聚集與成核生長.原位金屬化反應是研究較為廣泛的一類功能化方法.利用無差異性的DNA 鏈負電性與金屬離子的庫侖力,銅、銀等金屬可在框架核酸的表面進行生長[66,67].將預先組裝的小顆粒作為晶種, 可以提升金屬的生長程度, 甚至進行“澆筑”[68].利用某些基團與金屬離子的選擇性作用, 還能夠實現金屬的定位生長.例如, Pal 等[69]在利用Tollens 反應在DNA 折紙表面定點合成了水溶性的熒光銀納米團簇(圖3(a)).最近, Jia 等[70]開發(fā)了一種無修飾的定位金屬化反應技術, 他們利用DNA 單雙鏈在金屬離子存在下凝聚能力的不同, 設計了差異化的金屬化反應, 并成功獲得了僅有5 nm 線寬的金屬圖案生長(圖3(b)).值得注意的是, 這種技術能夠實現金屬異質圖案的“套印”, 即在DNA 框架模板的不同位置生長出不同種類的金屬.無機非金屬材料同樣可在框架核酸上進行原位生長.Liu 等[71]利用框架核酸誘導硅烷團簇預水解的方法, 誘導二氧化硅在框架核酸模板的磷酸骨架周圍形成沉積層, 制備了精確可控的DNA-二氧化硅復合材料(圖3(c)).最近, Shang 等[72]利用表面伸出的雙鏈, 又開發(fā)了一種在DNA 折紙模板上定點合成二氧化硅納米結構的方法(圖3(d)).

圖3 框架核酸介導原位生長 (a) 三角形DNA 折紙上定點金屬化形成銀納米簇[69]; (b) DNA 折紙上選擇性金屬化構建8 字形圖案[70]; (c) DNA-二氧化硅復合材料的制備[71]; (d) DNA 折紙上定點合成“i”形二氧化硅納米結構[72]Fig.3.FNAs-directed in-situ growth of nanomaterials: (a) Silver nanoclusters synthesized on DNA origami[69]; (b) selective DNA condensation and metallization on DNA origami for fabricating a digit 8 pattern[70]; (c) DNA origami silicification diatom-mimicking structures[71]; (d) site-specific synthesis of “i-pattern” silica nanostructure on DNA origami[72].

3 基于框架核酸的器件構筑

3.1 單分子反應器

框架核酸原子級精準性的特點, 為少至單個分子的準確定位提供了可能, 在此基礎上, 使我們能夠進一步在單分子尺度上對化學及生化反應進行研究[73].Gothelf 課題組[74]首先展示了二維折紙上的單分子化學反應, 他們在折紙表面選取了12 個不同位點, 每個位點分別修飾一個連接基團, 當體系中存在某種基團切斷試劑時, 與之對應位置上的單個連接基團將被切斷, 從而實現了對單個分子的定位剪切反應(圖4(a)); 另一方面, 他們用同樣的平臺還設計了單分子連接反應, 可將單個分子定點連接在特定位置.此外, 他們還展示了控制大分子低聚物的形成, 首先將樹狀大分子連接到DNA 折紙表面形成環(huán)狀圖案, 再使相鄰樹狀大分子單體間共價聚合, 制得了可控寡聚數量的大分子聚合圖案[75].采用類似的思路, Weil 課題組和Wu 課題組等通過在DNA 折紙表面延伸G 四鏈體序列, 模擬過氧化物酶的活性催化多巴胺的聚合反應[76];或在G 四鏈體結構中嵌入光敏劑, 通過光誘導多巴胺聚合[77], 均可產生尺寸、形狀精確可控的聚多巴胺圖案(圖4(b)).

自然界的生命體中存在著廣泛的限域反應, 對于生命活動至關重要.一直以來人們希望構建分子級的化學反應器來精確調控反應進程及選擇性, 并進一步提高反應產率, 框架核酸的精準定位及結構可編程性恰好滿足了基本要求.Gothelf 課題組[81]曾基于DNA 的Holliday 結構構建了體積僅有10–24L的限域反應器.更多的工作關注于對酶級聯反應在體外的限域調控, 例如, Willner 研究組[82]首先構建了葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOx)與辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase, HRP)周期性陣列結構, 并發(fā)現了反應效率的提升.Yan 課題組[83]發(fā)現這兩種酶的級聯反應活性依賴于酶間距,當酶間距很近時酶活性顯著增強, 相距超過20 nm時酶活性則急劇下降.由于該體系調節(jié)酶通路的過程相對緩慢且效率低, Yan 課題組[78]在前面的基礎上又通過調控DNA 折紙上的底物通道來快速有效地定向調節(jié)多種酶通路, 他們在折紙上以一定間距定位三種脫氫酶, 并加入了活性物質修飾的單鏈DNA 人工擺動臂調節(jié)不同酶通路的相對活性(圖4(c)).Fu 等[79]進一步構建了DNA 折紙納米管結構, 通過管的限域作用, 調控GOx和HRP 酶級聯反應中間產物的定向輸運, 使反應效率顯著提升(圖4(d)).此外, Xin 等[80]還設計了一個動態(tài)DNA機器, 通過調控GOx和HRP 之間的距離, 原位可逆地調節(jié)酶級聯反應(圖4(e)).

圖4 框架核酸構建單分子反應器 (a) DNA 折紙上單分子化學鍵斷裂反應[74]; (b) DNA 折紙上光誘導多巴胺聚合反應[77];(c) DNA 折紙上酶通路調控系統(tǒng)[78]; (d) DNA 納米管中GOx 和HRP 的酶級聯反應[79]; (e) DNA 機器可逆調控酶級聯反應[80]Fig.4.FNAs used for single molecule reactors: (a) Single-molecule chemical cleavage reactions on DNA origami[74]; (b) lighttriggered polydopamine formation on DNA origami[77]; (c) enzyme pathway regulation system on a rectangular DNA origami platform[78]; (d) bienzyme cascade of GOx and HRP in a DNA origami nanotube[79]; (e) reversible regulation of enzyme cascade reaction by a DNA machine[80].

3.2 單分子傳感器

框架核酸具有精準的空間可尋址性, 同樣可以應用到對單個分子的捕獲與識別, 構建單分子傳感器.以DNA 折紙為例, 其具有類似芯片的幾何特征, 每條訂書釘鏈都可以作為分子識別的探針進行修飾和延伸, 原則上最多可產生200 多個分辨率約為6 nm 的探針位點, 因此可以作為單分子傳感的理想平臺.Ke 等[84]利用矩形DNA 折紙來模擬基因芯片, 以納米級的精度在折紙上延伸單鏈探針,目標RNA 可與單鏈探針雜交形成堅固的“V”形DNA-RNA 雙鏈, 很容易在單分子水平上被原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)表征出來, 從而實現高細胞基因表達下的RNA 標簽檢測(圖5(a)).基于這種核酸分子識別的設計原理還可制備單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms, SNPs)分型檢測傳感器, Seeman 課題組[85]在DNA 折紙上設計了代表4 個堿基A, T, G, C的字母圖案, 可用AFM 直接成像, 在目標核苷酸存在時通過立足點鏈置換反應使特定的字母圖案被移除, 最終SNP 分型的結果經AFM 可直觀清晰地得到(圖5(b)).Zhang 等[86]利用DNA 折紙設計了一組形狀ID, 能特異性靶向基因組序列, 并經AFM 成像進行單分子水平的SNP 直觀檢測.

除了DNA 折紙, DNA 四面體因其具有很高的結構剛性和組裝效率, 且定向有序、間距可控、穩(wěn)定性高, 非常適合應用于單分子傳感.Pei 等[87]設計了頂點延伸探針DNA 的DNA 四面體結構,通過底部3 個頂點修飾的巰基固定在金電極上, 探針DNA 雜交結合目標DNA 后, 系統(tǒng)將監(jiān)測的雜交信號轉換為電化學信號輸出, 結果表明該傳感器對單堿基錯配有顯著的選擇性 (圖5(c)).若進一步設計能識別不同生物活性分子的DNA 四面體探針, 使其具備顯著的并行性和高通量分析能力, 則有利于提高檢測的靈敏度和特異性[90].

圖5 框架核酸構建單分子傳感器 (a) DNA 折紙上設計的V 形探針檢測目標RNA[84]; (b) 字母圖案的DNA 折紙用于SNP 檢測[85]; (c) DNA 四面體探針檢測目標DNA[87]; (d) AuNP 二聚體檢測染料分子的SERS 信號[88]; (e) AuNP 四聚體對SERS 信號的單分子水平定點、定量檢測[89]Fig.5.FNAs used for single molecule sensing: (a) Detection of the target RNA by hybridization with V-shaped probe stretched from a DNA origami[84]; (b) SNP detection with alphabetic patterned origami structures [85]; (c) recognition of the target DNA with a DNA tetrahedral structured probe [87]; (d) DNA origami-templated AuNP dimers for SERS[88]; (e) DNA origami-templated tetrameric Au nanoclusters for quantizing single-molecule SERS[89].

利用框架核酸組裝AuNPs 構建的納米等離激元結構同樣適合檢測單分子, 這主要是由于兩個相鄰粒子的局部表面等離激元耦合, 共振波長的光照射在粒子之間產生強電磁場, 使得位于納米粒子間隙中等離激元“熱點”處分子的熒光信號或拉曼散射強度增強[91].Lohmüller 課題組[88]構建了一個等離激元納米天線, 將兩個40 nm 的AuNPs 固定在剛性DNA 折紙塊的兩側, 兩個AuNPs 間隔距離即為折紙塊的厚度(6 nm), 之后對嵌入在DNA折紙熱點區(qū)域的分子進行了表面增強拉曼光譜(surface enhanced raman spectroscopy, SERS)測量, 發(fā)現分子的拉曼信號強烈增強(圖5(d)).在隨后的工作中, 他們通過光熱誘導收縮將兩個AuNP之間的間隙減小到1—2 nm, 從而進一步增強間隙處的場效應, 并定量描繪出熱點處單個分子的SERS 信號強度的增強隨AuNP 間距的函數變化[92].Fang 等[89]進一步開發(fā)出適用于更大粒徑AuNPs定位組裝的普適性方法, 他們將一組80 nm 的AuNPs錨定在DNA 折紙框架上的特定位點, 形成菱形四聚體納米金團簇, 在金團簇的間隙熱點處產生具有類Fano 共振特性的強電磁場, 他們將特定數量的染料販子精確定位在此熱點處, 首次實現了對SERS信號的單分子水平定點、定量檢測(圖5(e)).

3.3 分子裝載與輸運

將動態(tài)DNA 核酸框架作為基礎, 還可以設計出單分子、單顆粒水平的輸運機器, 構建納米裝配線.研究人員設法在DNA 折紙上設計精準可控的DNA 行走機器, 使其按指令沿特定的納米裝配線行走和搬運貨物.依照鏈置換反應原理, Gu 等[93]最早設計了一個可進行單個AuNP 輸運的DNA行走機器(圖6(a)).而Qian 課題組[94]設計的DNA機器人不僅可以拾取貨物, 還可執(zhí)行復雜的貨物分揀任務.在電場的驅動下, Kopperger 等[95]在DNA折紙平臺上設計的DNA 納米機械手臂可進行快速旋轉, 并成功運送熒光基團和金納米棒(圖6(b)).磁場同樣可以驅動DNA 分子機器, Lauback 等[96]將磁珠修飾到一個包含杠桿、轉子和鉸鏈的剛性DNA 折紙結構上, 通過施加旋轉磁場, 納米轉子可以以2 Hz 的頻率連續(xù)旋轉.

利用DNA 折紙作為可控釋放平臺是研究的另一項熱點.基于pH 變化來調控貨物釋放是一種常用的手段, Ij?s 等[99]設計并組裝了一種可重構的DNA 折紙納米膠囊, 利用Hoogsteen 鍵配對形成的DNA 三鏈結構作為閂鎖, 通過急劇的pH 變化來控制膠囊結構的可逆開/關, 實現膠囊空腔內功能分子運載、封裝等過程.Burns 等[100]構建的pH 響應的中空DNA 折紙立方盒, 可對功能蛋白封裝、轉移及在活細胞中釋放.另一種調控手段是利用適配體的特異性識別作用, Li 等[97]將核蛋白的適配體序列作為緊固鏈, 使負載有凝血酶的DNA 管狀折紙結構在核蛋白高表達的腫瘤血管內皮細胞表面富集、打開并暴露出凝血酶, 從而激活腫瘤部位的凝血功能導致腫瘤部位壞死并抑制其生長(圖6(c)).除了響應外界刺激的可控釋放, 框架核酸還可在DNA 雙鏈上直接結合藥物分子, 在體內實現有效釋放.Wiraja 等[98]研究發(fā)現四面體DNA 折紙框架作為載體可以穩(wěn)定、有效地滲透進真皮層并釋放藥物, 使藥物積累和腫瘤抑制效果都得到提升(圖6(d)).

3.4 納米光學應用

利用框架核酸精確排布金屬納米顆粒、量子點和熒光團等功能部件, 對于創(chuàng)建具有定制光學特性和特殊功能的高級納米光學系統(tǒng)至關重要, 比如熒光成像、光波導和手性光學系統(tǒng)等.Chen 等[101]通過調控DNA 四面體框架頂點處熒光染料分子之間的距離和排列方式創(chuàng)造性地構建了一個光流體激光器裝置, 顯著提高了激光效率(圖7(a)).同樣基于熒光分子的可控組裝, 框架核酸在熒光成像方面存在應用潛力, 并由此發(fā)展了一種DNA-PAINT(DNA point accumulation for imaging in nanoscale topography)超分辨成像技術.熒光標記的短DNA 寡核苷酸(成像鏈)與DNA 納米結構上延伸的靶互補鏈(對接鏈)動態(tài)結合和解離, 產生隨機熒光閃爍, 之后進行單分子定位, 可實現DNA 納米結構的超分辨成像[102](圖7(b)).這種DNA-PAINT 技術具有納米級的空間分辨率, 在此基礎上發(fā)展了Exchange-PAINT 方法, 采用多條成像鏈對不同位點分別成像, 可表征多種靶標的空間結構.

圖6 框架核酸用于分子裝載和輸運 (a) DNA 折紙上的分子裝配線[93]; (b) 電場驅動DNA 納米機械臂旋轉并使金納米棒運動[95]; (c) 凝血酶功能化的DNA 納米機器人[97]; (d) 3 種用于經皮給藥的DNA 四面體結構[98]Fig.6.FNAs used for cargos loading and transporting: (a) Molecular assembly line on DNA origami[93]; (b) electrically actuated rotation of a nanorobotic arm, moving a gold nanorod[95]; (c) DNA origami nanocapsule actuated by changing pH[97]; (d) 3DNA tetrahedrons for transdermal drug delivery[98].

前文介紹了基于框架核酸構建納米等離激元結構應用于單分子傳感, 這些結構同樣可應用于納米光波導的構建.在金屬納米粒子鏈中當粒子間的間隙小于粒子半徑時, 相鄰納米粒子的等離子激元產生強烈的共振耦合, 此時通過光與納米粒子的相互作用就可限制、引導和操縱低于衍射極限的光,即光波導.利用框架核酸將AuNPs 定向自組裝成線性陣列, 通過改變顆粒的空間排布和相鄰顆粒間距可控制共振耦合頻率[107], 若進一步改變中心AuNP 的位置, 就可形成可切換的等離子波導, 并在35—50 nm 傳播范圍內存在能量轉移[103](圖7(c)).但這種鏈波導每傳播50 nm 就會產生10—20 dB的能量損耗, 為減少傳播損耗, Gür 等[108]將AuNPs的間距減小到2 nm, 因而在62 nm 深亞波長的限制下將傳播損耗降低到0.8 dB (每50 nm).這種基于框架核酸的組裝等離子體波導的技術有望實現微米長的傳播長度, 使其朝信息技術、傳感電路和量子光學等領域邁出一大步.

利用框架核酸改變金屬納米離子的空間排布,可以實現手性光學性質的調控.其中, 球形AuNPs由于自身的各向同性便于無定向定位而被廣泛應用.Kuzyk 等[104]利用24 個螺旋的DNA 折紙結構構建了左手和右手螺旋排列的AuNP 納米線, 左旋和右旋都顯示相應的手性信號(圖7(d)).Ding課題組[109]設計的人工手性等離子體由矩形折紙上手性排布的最少數量的AuNPs 四聚體構成, 且具有顯著的圓二色性.一些更具挑戰(zhàn)性的手性等離子體結構可通過各向異性的金納米棒進行組裝.Lan 等[110]在二維DNA 折紙模板兩側設計“X”形排列DNA 捕獲鏈用以定位金棒, 并進一步組裝成金棒螺旋, 該結構可以產生增強的手性.為構筑更復雜的人工三維手性結構, Man 等[105]借助四面體DNA 折紙模板組裝金納米棒, 成功構建了11 種不同空間構型的手性等離子體超分子(圖7(e)).在動態(tài)手性調控方面, Zhou 等[106]設計金納米棒在DNA 折紙上進行循序漸進的定向行走, 即時產生動態(tài)的光學響應信號 (圖7(f)).

圖7 框架核酸的納米光學應用 (a) 基于DNA 四面體的光流體激光器實驗裝置[101]; (b) DNA-PAINT[102]; (c) DNA 折紙上線性排列的AuNPs 產生光波導[103]; (d) AuNPs 在DNA 折紙上的左旋和右旋排列[104]; (e) 四面體DNA 折紙組裝的金納米棒手性超分子[105]; (f) 金納米棒在DNA 折紙上的動態(tài)行走[106]Fig.7.FNAs used for nanophotonics: (a) Optofluidic lasers based on a DNA tetrahedron[101]; (b) DNA-PAINT [102]; (c) waveguide on the line of AuNPs arranged by a DNA origami[103]; (d) AuNP helices on DNA origami[104]; (e) tetrahedral DNA origami-templated plasmonic metamolecules[105]; (f) Au nanorod walking on DNA origami[106].

3.5 納電子器件

納電子器件是另一個重要的研究方向, 框架核酸的原子級精準度在此方面具有重大的應用潛力[111].例如, 框架核酸組裝結構可以作為高分辨率、低成本納米制造的理想掩模板, 與納米光刻技術結合,有望解決納電子器件精細制造的難題.將DNA 模板置于基底上, 利用直接金屬沉積[112]或陰影沉積[113]等方法, 可成功制得納米級分辨率的規(guī)則圖案或線性溝槽.為實現DNA 折紙掩膜到SiO2基底的直接圖案轉移, Diagne 等[114]利用DNA 折紙調節(jié)SiO2表面HF 氣相刻蝕的反應速率, 合理控制反應條件, 成功將一個小于10 nm 的孔從DNA折紙轉移到SiO2基底上(圖8(a)).

框架核酸還可通過自下而上組裝聚合物、金屬、碳納米管(carbon nanotube, CNT)等電子材料來構造納電子器件.Gothelf 課題組[115]合成了一種具有潛在導電性的刷狀DNA 共軛聚合物線,將其固定在DNA 折紙上, 構建了U 形、線性等多種圖案, 該方法原則上可以制造納米尺度任意形狀的電子或光學導線(圖8(b)).利用DNA 瓦塊作為支架, Tapio 等[116]成功將三個AuNPs 組裝成單電子晶體管, 在4.2 K 到室溫范圍內都能表現出庫侖阻塞行為(圖8(c)).CNT 在高性能、高能量效率晶體管領域具有很大的應用潛力, Sun 等[117]開發(fā)了一種對半導體CNT 空間受限整合的超分子組裝方法, 以DNA 折紙磚塊為模板, 通過對DNA 包覆的CNT 進行排列, 成功構建了間距為10.4 nm的平行CNT 陣列(圖8(d)).利用這種組裝策略,他們成功制備了固態(tài)多通道半導體CNT 場效應晶體管, 關鍵傳輸性能指標提高了10 倍以上[118].此外, 在構建CNT 器件時, CNT 錯位會引起雜散導電路徑, 產生錯誤的邏輯功能, 為了校準CNT,Zhang 等[119]利用球形核酸介導CNT 在DNA 折紙表面定位, 最終實現CNT 精確對準和平行排布.

圖8 框架核酸構建納電子器件 (a) DNA 折紙到SiO2 基底的直接圖案轉移[114]; (b) 聚合物線在DNA 折紙上形成的“U”形圖案[115]; (c) DNA 瓦塊組裝AuNP 構建單電子晶體管[116]; (d) DNA 折紙模板制備高度致密的CNT 平行陣列[117]Fig.8.FNAs used for nanoelectronics: (a) Pattern transferring from DNA origami into SiO2[114]; (b) polymer binding to the DNA origami with a “U” shaped pattern[113]; (c) DNA tile-templated single electron nanoelectronics[116]; (d) CNT alignment based on trench-like DNA templates[117].

3.6 信息處理器件

生命遺傳信息的編輯與存儲是核酸作為生物大分子的本質屬性, 因此利用人工設計的框架核酸進行信息處理, 有望產生新的突破.早在1994 年,圖靈獎獲得者Adleman[120]開創(chuàng)性地用一維線性DNA 自組裝解決含有7 個頂點的有向哈密頓路徑問題, 證明DNA 分子具備強大的計算能力.多年來, DNA 的高度并行計算、高密度信息存儲、運算速度快、能耗低等優(yōu)勢在DNA 計算[121]、信息存儲、加密等領域得到了充分發(fā)掘[25].基于精準定位的特性, DNA 折紙可以作為邏輯電路的框架模板來控制DNA 分子或其他電路元件的排列.Liu 等[122]開發(fā)了一個DNA 分子計算器, 利用兩條特定的DNA 序列分別代表一個數字輸入進行乘法運算,輸出庫是預先定義的, 當兩條輸入鏈與溶液中的輸出庫混合時, 它們會綁定到一條正確的輸出鏈上,形成穩(wěn)定的三向連接, 再經轉換器處理, 使計算結果在DNA 折紙上以數字形式顯示出來(圖9(a)).

將DNA 計算的概念融入DNA 納米器件的設計中, 有助于在單分子尺度上開發(fā)智能DNA 分子機器.Wickham 等[126]設計的DNA 馬達可在包含4 種可能路徑的軌道網絡中根據添加的外部指令或自身攜帶的信息來選擇分路行走.在更為復雜的DNA 動態(tài)反應網絡中, Chao 等[123]開發(fā)的DNA單分子巡航機器人系統(tǒng)成功在二維折紙上迷宮路徑中找到了正確解.迷宮路徑包含唯一入口、唯一出口、幾個轉角和交叉點, 體系中大量的單分子機器人通過雜交鏈式反應進行平行深度優(yōu)先搜索共同尋找所有可能路徑, 最后篩選出迷宮的正確路徑, 并用原子力和超分辨率顯微鏡對這條路徑進行單分子成像(圖9(b)).

另一方面, 近年來掀起了對核酸信息存儲安全問題的研究熱潮.早期研究人員利用DNA 的序列信息發(fā)展DNA 隱寫術, 將編碼為DNA 鏈的信息隱藏在大量隨機DNA 中[127].隨著結構DNA 納米技術的發(fā)展, 人們開始挖掘DNA 納米結構在信息加密領域的應用潛力.Zhang 等[124]開發(fā)了一種DNA 折紙加密系統(tǒng), 發(fā)送者將傳遞的信息加密成類似盲文的點陣圖案, 通過骨架鏈雜交若干生物素修飾短鏈的組合將這些圖案進一步加密.而接收者獲得骨架鏈折疊的密鑰及其他訂書釘鏈, 將骨架鏈折疊成含正確的折紙圖案, 并在原子力顯微鏡下識別, 最終明文信息被逐字解密成二進制數并解碼(圖9(c)).為了提高分子信息編碼的安全級別,Song 課題組[128]利用可重構的DNA 折紙多米諾陣列編碼信息, 陣列構象隨密鑰鏈的添加而改變,使加密的數據被轉換成可見模式, 并進一步設計基于toehold 鏈置換反應的防偽方法, 以防止編碼信息被解碼和篡改[125](圖9(d)).

圖9 框架核酸構建信息處理器件 (a) DNA 折紙分子計算器[122]; (b) DNA 單分子巡航機器人解迷宮[123]; (c) DNA 折紙加密系統(tǒng)[124]; (d) DNA 折紙多米諾陣列編碼信息[125]Fig.9.FNAs used for information processing: (a) DNA origami calculator[122]; (b) single-molecule DNA navigator for solving maze on the 2 D origami[123]; (c) DNA origami cryptography system[124]; (d) DNA origami domino array for coding information[125].

4 展 望

隨著硅基集成電路技術后摩爾時代的來臨,“自上而下”的光刻等制造手段已經無法滿足電路高集成化及電子設備小型化的工藝要求, 人們迫切需要開發(fā)原子尺度的精準構筑技術, 以打破現有的技術限制, 推動未來科技和高端原件制造產業(yè)的發(fā)展.目前對于原子制造的研究主要集中在原子數可控團簇、低維材料原子級精準制造等凝聚態(tài)物理的研究方向, 而實現真正意義上的原子制造須以原子作為研究對象, 對其進行捕獲、定向移動和精準定位.借助框架核酸這樣一個結構有序、高度可編程、精準空間定位的可尋址平臺, 有望實現原子級的精準構筑.例如, 通過化學修飾的手段將原子或螯合原子的配合物精準定位到框架核酸, 從而捕獲數量可控的原子并進行有序排布; 利用動態(tài)DNA分子機器調控原子的定向移動過程, 有望對單個至多個原子進行可編程地操控.隨著框架核酸的結構復雜性和空間尺寸進一步提升, 框架核酸作為一種高度集成化的組裝平臺, 有望推動原子自下而上構建更大規(guī)模、更為復雜的組裝體, 并進一步制備功能器件或新材料.此外, 基于框架核酸對納米顆粒、蛋白質、聚合物等功能基元精準組裝的特性,賦予原子制造某些特殊性能, 或可推動其在生物醫(yī)學、催化、納米光學、量子科學和材料等交叉領域的發(fā)展, 例如基于框架核酸定位原子陣列制備高度集成的量子芯片, 發(fā)展更快運行速度和更高存儲能力的量子計算機, 或制備以框架核酸為載體的高負載率、高活性的單原子催化劑.當然, 目前利用框架核酸進行原子制造的設想還停留在初步探索階段, 一些機理和關鍵技術問題還急需解決, 比如原子制造過程中單原子、多原子的作用規(guī)律, 原子尺度的量子效應問題, 從原子到宏觀的物理或化學特性調控問題等.此外, 適用于框架核酸原子制造的表征手段目前有限, 還需尋找新方法或通過熒光、酶催化反應間接表征框架核酸上的單個或多個原子.我們也期望框架核酸理念能促進原子水平操縱與表征技術的發(fā)展, 通過進一步的學科交叉, 降低與應用段接軌的技術門檻.