DNA纳米结构介导的生物矿化及其在生物分析中的应用

Biomineralization is the process of the formation of biominerals in organism under the regulation of organic matter. Mimetic biomineralization is emerging as a powerful approach for investigating the role of organic matter in regulating the morphology and performance of biominerals, which provides a fundamental for the design of novel biomimetic minerals. In this project, we aim to study the mimetic biomineralization by using DNA nanostructures with specific configurations as templates, and solve the problem that common single/double-stranded nucleic acids cannot mediate biomineralization. Through the interaction between DNA nanostructures and mineral ions, we aim to control the nucleation, orientation and growth of mineral crystals, investigate the influence of DNA nanostructures on the morphology and size of biominerals, and then reveal the mechanism of DNA-mediated biomineralization. Furthermore, through combining specific nucleic acid probes with DNA nanostructures, we also aim to prepare functional biominerals with excellent biocompatibility and explore their application in real-time detection of intracellular biomarkers. This will promote the development of biomineralization in the fields of cell imaging, drug development, disease diagnosis and disease treatment.

生物矿化是指生物体通过有机质的调控生成固相生物矿物的过程。模拟生物矿化，可考察有机质在调控生物矿物形貌和性能中的作用，为设计新型仿生矿化材料提供理论依据。本项目拟选用具有特定构型的DNA纳米结构为生物模板模拟生物矿化，解决简单单链或双链核酸分子难以介导生物矿化的问题。通过DNA纳米结构与矿物离子的相互作用，调控矿物晶体的成核、定向和生长，考察DNA纳米结构对生物矿物的形貌和尺寸的影响，进而揭示DNA介导生物矿化的机制。本项目还拟结合具有特异性识别能力的核酸探针于DNA纳米结构上，构建具有出色生物相容性的功能化生物矿物纳米材料，探索其在细胞内生物标志物实时监测中的应用，从而推动生物矿化技术在细胞成像、新药研发、疾病诊断和疾病治疗领域的发展。

生物矿化是指生物体通过有机质的调控生成固相生物矿物的过程。模拟生物矿化，可考察有机质在调控生物矿物形貌和性能中的作用，为设计新型仿生矿化材料提供理论依据。在本项目中，我们以Y型DNA为生物模板模拟磷酸铜的生物矿化，制得了Y型DNA/磷酸铜纳米花，其形貌和尺寸依赖于Y型DNA的浓度。以复合TK1 mRNA识别序列的功能化Y型DNA为模板，制得了功能化的纳米花，并以其为基因载体实现了活细胞内肿瘤标志物TK1 mRNA的成像监测。我们还以双链DNA为生物模板，模拟缺钙羟基磷灰石的生物矿化，制得了具有三维分级结构的DNA/缺钙羟基磷灰石生物矿物，其形貌受双链DNA的影响。相比于纯的缺钙羟基磷灰石，DNA/缺钙羟基磷灰石表现出更好的骨诱导性，在骨替代材料中有着潜在的应用。在顺利完成项目目标的前提下，我们还以其他无机纳米材料为基因载体，构建了多种纳米探针，实现了细胞内生物标志物的有效监测。本项目的执行，不仅推动了生物矿化技术在基因传递、细胞成像和骨组织工程领域的发展，还促进了功能纳米探针的开发及其在疾病早期诊断和治疗中的应用。