DNA-表面活性剂溶液多层次有序组装结构、性质和功能研究

Self-assembly in mixed solution of DNA and amphiphilies is a broad research issue which has broad implications for biotechnology, medicine, biological functions, and nonviral gene delivery. This project focuses on the self-assembly of amphiphilies in solution, discusses about the noncovalent interactions,the self-assembly and phase transition in mixed surfactant and polyelectrolyte DNA. A series of ordered aggregates with multi-sizes and multi-functions will be constructed in the following systems, including catanionic mixture/DNA, light-senstive surfactant/DNA, and nonionic surfactant/DNA. The aggregation microstructure, the self-assembly mechanism, the phase transition, and.the synergistic effect of various noncovalent forces will be investigated. The DNA conformation is manipulated by the charge changes and the UV irradiation in the complex fluid of surfactant and DNA,along with the environmental response for encapsulation and release of DNA. As a result, we will open up a controlled assembly routine for the production of nonviral gene carrier, and summmarize the self-assembly methodology of polyelectrolyte and surfacatnt. Our long-term objective of this research is to develop a functional science base that can lead to the design and synthesis of optimal nonviral carriers of DNA for gene therapy,which also promotes the development of self-assembly.

通过自组装技术构建生物大分子DNA的纳米复合物,以提高其基因治疗效果，是目前化学、生物和医药学交叉领域的一个研究热点.本文以表面活性剂聚集结构再组装DNA为主线，从生物物理化学角度，围绕聚电解质DNA与表面活性剂及其聚集体间的多重弱相互作用、有序再组装和相转变，构筑具有生物功能的多组分、多尺度和多结构的阴/阳离子表面活性剂/DNA、光响应型表面活性剂/DNA及非离子表面活性剂/DNA组装体系。探讨组装体的结构、构建机制、结构演变、DNA参与的聚集行为以及非共价键力对DNA自组装过程的协同效应；从分子水平上，通过电荷改变和光照调控DNA与表面活性剂相互作用过程中的构象转变，实现DNA转运过程中包封与释放的环境响应性调控。建立一种可控的非病毒基因载体的组装方法，获取DNA/表面活性剂溶液自聚集体行为、结构和结构转变的规律。.为拓宽可控自组装技术在生物医药领域的应用提供有力的实验数据和理论依据。

DNA是一种可以携带遗传信息的天然大分子。基因治疗是通过将外援功能性DNA片段导入靶细胞以达到修复缺陷基因的目的，其在治疗遗传病以及癌症治疗方面都具有非常重要的意义。然而，由于电荷与构象上的因素，DNA分子无法独自穿过细胞膜。因此，寻找合适的运载体将功能性DNA片段有效地运输至靶细胞内部，并能在细胞中释放DNA是一个亟待解决的问题。除此之外，DNA也可以作为基本的构筑单元去构建具有不同形貌的纳米结构，为新型核酸纳米器件提供理论指导，也可以在纳米技术与生化领域寻找潜在的应用价值。主要研究内容：1）通过研究不同类型阳离子表面活性剂、两型表面活性剂及其聚集体与DNA分子的相互作用，寻找出高浓度阳离子表面活性剂失去压缩DNA能力的本质原因，并指出不同浓度阳离子表面活性剂控制DNA的构象变化（包括压缩与解压缩）受何种因素主导。2）设计合成了含有偶氮基团与磁性反粒子的新型刺激响应的表面活性剂用于实现DNA分子的远程可控的捕捉与释放。此外，还利用刺激响应的表面活性剂修饰金纳米颗粒，研究了其在压缩DNA和分离蛋白质方面拥有比传统金纳米颗粒和阳离子表面活性剂更加优异的性能，对于基因治疗、蛋白质的运输与分离提供了新的思路。3）以DNA作为基本构筑基元，通过与金属离子、磁性表面活性剂以及聚合物组装形成各种形貌的基于DNA的纳米结构。此外，我们还将其作为药物运输的载体，实现了靶向药物运输以及可控释放。