微纳米孔道内分子手性对D-DNA自组装的调控基础研究

Biomolecule self-assembly is crucial in the bio-activity and bio-evolution processes. The research about the simulations of biomolecule self-assembly will facilitate our understanding of life processes. Biomolecules participating in the self-assembly always consist of chiral molecules. Hence, the molecular chirality determines the configuration and function of biomolecules and even the relating life systems to a large extent. Among numerous systems, D-DNA self-assembly is one of the most significant form, which always occurs in a micro/nano scaled confined space. However, till now, the active mechanism of molecular chirality is unclear on the D-DNA self-assemblies in the micro/nano scaled confined space. Our group try to introduce the self-assemblies of D-DNAs in the micro/nanochanels modified with chiral molecules. The D-DNA assembly and disassembly processes by constructing micro, nano and micro/nano composite channels as well as designing D-DNA sequences with a zero, one, two or three dimensional structure. A new characterization method will be established by combining the electrochemical and fluorescent signals. Studies will be conducted on the active mechanism of molecular chirality on the D-DNA self-assembly in the micro/nanochannels. The new findings of our project could provide us some new ideas on the understanding of chirality intrinsic, the revealing of chirality mystery, new material synthesis of and the smart molecular device development.

自组装是生命体系中生物分子活动、演变的一种重要形式，开展模拟生物分子自组装研究，将促进对生命过程的理解。参与自组装的生物大分子大多是由手性小分子所构成的，分子手性决定了生物大分子乃至生命体系的构型和功能。众多自组装体系中，核酸分子自组装是重要的形式之一，其在生物体内大多发生在微纳米限域空间。然而，目前在微纳米限域空间下核酸分子自组装机制处于初级研究阶段，且分子手性对于核酸分子自组装作用机制尚未清楚。本项目拟通过制备尺寸和形貌可控的微米、纳米和微纳米复合孔道，通过修饰手性分子，构筑微纳米孔道内手性环境。设计D-DNA结构，在手性孔道内自组装形成零、一、二和三维D-DNA结构。建立光电双信号表征方法，研究在微纳米限域空间下手性环境对于D-DNA自组装和解组装的调控机制。本项目研究成果将有助于人们更好地认识自然界中的手性本质，揭示生命体系中手性选择性的奥秘，并为开发新型生物材料和器件开启新方向。

自然界的一切生命以及相关功能都是分子通过多重弱相互作用协同，以非常精密、准确和程序化可控的方式自组装而实现的，并能够实现对多种刺激的响应，实现复杂的功能。在生物体内核酸分子的自组装和解组装大多是在微纳米限域空间下进行的，然而，目前核酸分子自组装和解组装的研究主要集中在非限域环境中。鉴于此，本项目系统地研究了微纳米限域空间下手性环境对于D-DNA自组装和解组装的调控机制。首先构建微纳米孔道内手性环境，研究微纳米限域空间下分子手性对不同结构（零维、一维、二维和三维）核酸分子组装过程的影响，并进一步探讨其对复杂生命体系的调控作用。对现有的测试装置进行改进，设计孔道内电流/荧光双信号实时表征体系，实现跨膜离子电流和和荧光信号的实时同步检测，提高测试体系的准确性，更精确、更清晰地表征微纳米孔道内D-DNA自组装及解组装过程。在纳米孔道精准结构分区的基础上，基于外表面更易修饰和表征的优势，实现了仅外表面功能分子修饰的纳米孔道构筑，证明了外表面表面电势分布是影响离子传输的核心参数。除此之外，率先发展了具有明显内壁和外表面分区修饰的固态纳米通道，用波粒二象性解释液体和气体通过纳米孔时超快传输现象。最后，本项目还在生物分子修饰的固体纳米孔道、功能化固体纳米孔道及在生物传感领域应用、纳米限域超流的化学反应和信息传输等方面发表综述性文章。本项目取得的成果有望为单分子单细胞精准测量提供新方法，为仿生物质传输提供新途径，为开展生物医学基础研究、合成纳米新材料和研制智能隔膜体系等提供新思路。