可光控调节的DNA索烃纳米器件构建与性能研究

DNA based regulative machines have gained great interests recently. Various kinds of controlled nanomachines were developed by incorporating with different molecular switches. In this project, we developed a photo-regulative DNA catenane with switchable reconfigurations. Three-ring interlocked DNA catenane is constructed and characterized. By employing two pairs of photoresponsive switches, this supermolecular catenane can be switched between two distinct interlocked states reversibly. Here the photoresponsive switches are pseudocomplementary oligonucleotides modified with azobenzene molecules, in which the hybridization and the dissociation can be controlled by switching photoirradiation between UV- and visible light irradiation. This photoregulative DNA interlocked catenane represents a new protype of stimuli-responsive DNA nanomachines.

作为内源性的生物遗传大分子，DNA近年来被应用于构建结构与功能化调控一体的纳米器件，其中对纳米结构的调控手段以及调控的精确度决定了纳米结构的功能复杂程度。在本项目中，设计了一个由三个DNA环互锁而成的人工DNA索烃纳米结构，并通过调节不同波长的光照，来操控该DNA索烃结构在两种不同的互锁状态下进行可逆切换。该索烃结构中引入了两对偶氮苯分子修饰的光敏感核酸开关，在紫外-可见光的照射下，偶氮苯分子可调节核酸链的配对与解旋，继而导致DNA索烃结构的构象也发生了变化。该纳米结构通过引入光照作为调控手段来操控其纳米状态的转换，这是一种非介入式的调控方式，不会对纳米体系的物理环境产生干扰，也不会造成体系不必要副产物的累积，且具有靶向性，本课题中构建的光控DNA索烃为DNA纳米结构作为可调控纳米器件提供了新的原型参考。

生物大分子可以执行精准的机械运动来实现高效的物质传递或者催化反应，例如：F-三磷酸腺苷（ATP）合酶通过在细胞膜上的转动实现ATP的合成，其复杂的结构，高效的性能激发了研究人员开发了一系列的人工纳米机器，但目前还未能开发出可与之比拟的，能够实现类似功能的人工纳米机器。在本研究中，我们程序化组装了一个六边形结构的DNA纳米机器，其中三臂DNA纳米转子（TAN）可以在由DNA燃料链驱动下，在受限的纳米空间中进行方向可控的多步转动，并且TAN的每步转动可精准的控制在60º，利用高速原子力显微镜成像技术，透射电镜及荧光失踪等多种方法，分别对该纳米转动机器进行了表征与效果验证。此外，我们以葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP）作为生物催化酶级联反应模式分子，将其应用于该纳米转动机器上，通过调控TAN的转动实现了生物催化活性的多步调节。因此，该项研究工作构建了一种具有角度和方向控制功能的纳米转动装置的新原型，并为反应性分子组件提供了纳米级机械工程平台，也说明了基于DNA的纳米器件在未来的纳米工厂建设中发挥重要作用。