微纳米尺度限域下的核酸自组装过程研究

Biomolecule selfassembly is crucial in the bio-activity and bio-evolution processes. The researches about bio-selfassembly simulations will facilitate our understanding of life processes. The studies of nucleic acid assembly mainly focus on the assembly in buffer solution without space confinement, but the bio-selfassembly process, in fact, occurs mostly in the micro and nano scale (for example, in cell nucleus). Our group try to study nucleic acied assembly and disassembly processes by constructing micro, nano and micro-nano composite channels as well as designing responsive nucleic acid sequences. We, furthermore, learn the mechanism of nucleic acid assembly and disassembly processes, by exploring different assembly onditions, such as temperature, pH value, ions, concentration, assembly time, and effective aperture of the micron, nano and micro-nano composite channels in the buffer solution. In addition, we will simulate the complex environment of life, including small molecular, protein, enzyme, serum et, al., which will highly affect the assembly and disassembly processes. Our group, therefore, could optimize the nucleic acid sequences and funcationalize the inner wall of channels to solve the above problem based on our previously related studies. The potential applications of controllable assembly and disassembly processes includes the targe molecule detection/seperation, the responsive material synthesis and the intelligent molecule machine fabrication. The new findings of our project could provide us some new ideas on the biomedical basic research, the 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了解。生物分子自组装大多是在微纳米限域（细胞核等）下进行的，然而，目前对核酸分子组装的研究多为非限域缓冲液中的非响应性组装。本项目通过构筑尺寸和形貌可控的微米、纳米和微纳米复合孔道以及设计响应性核酸序列，研究核酸自组装和解组装的过程。通过在缓冲溶液中对核酸分子组装过程中的组装条件，如温度、pH值、离子、浓度、组装时间和有效孔径的研究，揭示核酸分子在微纳米限域下的组装机制。进而，模拟生命复杂环境，研究干扰因素（小分子、蛋白质、酶、血清等）对组装过程的影响，通过对序列优化和孔道功能化修饰，增加响应性核酸自组装体系的抗干扰性，并将可控的核酸自组装体系用于目标分子的检测、分离、物质的运输和能量传递等问题。本项目的研究结果将为开展生物医学基础研究、合成响应性新材料和研制智能分子器件等提供新思路。

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了解。生物分子自组装大多是在微纳米限域（细胞核等）下进行的，然而，目前对核酸分子组装的研究多为非限域缓冲液中的非响应性组装。鉴于此，本项目系统地研究了微纳米尺度限域下（人工纳米孔道中）的核酸自组装过程。首先设计不同的响应性核酸序列，结合双循环二次方扩增、DNA链置换反应、等温扩增、滚环反应、DNA纳米自组装等策略，以荧光信号、比色信号、电信号等为信号输出，构建出一批高特异性、高灵敏度的检测分析平台。其次制备不同形貌的纳米孔道，结合介孔纳米颗粒、AIE分子及“主客作用”的响应性分子等，将纳米孔道应用于药物释放和超灵敏检测。然后在前两者的基础上，通过在纳米孔道内组装3D DNA超级分子、修饰序列演变的核酸探针、构建功能化“双面神”结构环等，探索了孔道内核酸分子的自组装和解组装机制、物质运输和能量传递的性质，并将由此构建的体系应用到目标分子的检测和分离。除此之外，还开发了一系列基于AIE分子的生物/化学传感器，用于检测端粒酶活性、核酸及离子，药物输送与细胞成像系统。最后，本项目还在等温扩增技术应用于生物传感器、基于纳米孔道的生物化学分析、基于等温放大的端粒酶活性检测、基于DNA杂交链式反应和DNA超级三明治自组装的超灵敏检测、基于光学和力学的单分子核酸成像研究进展等方面发表综述性文章。本项目取得的成果有望为癌症诊断提供新方法，为药物运输提供新途径，为开展生物医学基础研究、合成响应性新材料和研制智能分子器件等提供新思路。