DNA小环为结构基元的DNA纳米自组装技术

Prof. Nadrian C. Seeman and his colleagues at New York University have developed the DNA self-assembly nanotechnology, using DNA molecules to construct DNA nanostructures and nanodevices, since the 1990’s of the 20th century. DNA nanostructures and nanodevices made by Watson and Crick base pairing can be applied in drug delivery, biosensing, nanorobots, and synthetic biology, etc. Over 20 years, linear DNA strands are the main raw materials used in DNA nanotechnology because both 5’- and 3’-ends of them can rotate and self-regulate freely to fit to the DNA lattice during the self-assembly process. Supercoiling and unwinding of circular DNA molecules, so called DNA topo-isomerization, is one of pivotal molecular motions in life science. Circular DNA molecules have no free-moving ends and their rotation and self-regulation are limited during base pairing. However small circular double helix DNA molecules are predicted to be more rigid, and they can be used to form new motifs and to construct new 0, 1, 2, and 3-dimensional DNA nanostructures and nanodevices. In addition the conformation, topology, and rigidity of small circular DNA molecules will be investigated from these nanostructures. Such DNA minicircle-based nanoarchitecture might provide a new vision to probe the mystery of life.

纽约大学Nadrian C. Seeman教授为首的科学家们于20世纪90年代发展的DNA（脱氧核糖核酸）纳米自组装技术及其应用是近年来备受关注的纳米高技术领域，DNA纳米技术利用DNA分子的Watson和Crick碱基配对原则构建可操控的纳米结构或器件，并应用于药物递送、生物传感、纳米机器、和合成生物学等。DNA纳米技术近20年的发展都使用线性DNA为基本原料，线性DNA的 5’-和3’-两端在组装DNA阵列的过程中可自由转动和调整。环状DNA的超螺旋与解旋状态的相互转换是生命过程中常见和重要的分子运动，环状DNA没有自由的端头，碱基配对过程中转动和自我调节的自由度受限，但小环DNA（20至200个碱基）双链结构的刚性增加，我们将采用小环DNA设计和构建新的结构基元（motifs）和组装0、1、2、3维纳米结构，并籍此研究小环DNA的拓扑学性质和柔韧性，希冀为揭示生命的奥秘提供新视野。

纽约大学Seeman教授为首的科学家们于20世纪90年代发展的DNA纳米自组装技术及其应用是近年来备受关注的纳米高技术领域，DNA纳米技术利用DNA分子的Watson和Crick碱基配对原则构建可操控的纳米结构或器件，并应用于生物医药领域的药物递送、生物传感、纳米机器、合成生物学及DNA存储和运算等领域。DNA纳米技术近30年的发展都使用线性DNA为基本原料，我们原始创新地使用小环DNA为支架设计和构建了多种新的结构基元、并组装了0D、1D、2D、和3D的纳米结构，特别是以长度为32nt、42nt、64nt、84nt、96nt、106nt、128nt的小环DNA为支架链成功设计和实现了构建稳定小环DNA分子瓦及组装0至3D DNA 纳米结构的规律和条件。通过大量的实验和使用编码理论透彻理解了一个以c64nt为支架构筑1D纳米管和螺旋线、2D平面结构、3D多层堆砌（nLS，n-layer stackup）结构的DNA纳米建筑术，以0和1的二进制数对c64nt小环构建的层层X-交叉的多层组装系统进行编码，发明了小环DNA纳米结构中我们自己命名的ivitomer (intermediate vector induced tautomer)的异构体；小环DNA纳米结构优于线性DNA纳米结构的特点是稳定性高、韧性好、产率高、分子瓦可通过立体互作的碱基pi-pi堆积和粘性末端互补进行可逆组装/解组装，特别是以碱基堆积形式组装的纳米结构在生理环境范围内的不同条件能够可逆组装和解组装，这个优点给小环DNA纳米结构在人类、动植物、及微生物等生命体系里的各种生物调控及应用提供了巨大的潜能；对小环DNA纳米结构的进一步研究将拓展我们在拓扑学、DNA纳米结构的对称性、DNA存储和逻辑运算、生命体中染色体和其它纳米机器的构建术和奥秘等领域的新视野。