西安交大孙莎课题组 Small：利用弯曲与扭曲形变控制DNA纳米管的直径与手性
日期：2022-11-16
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纳米技术是以
D
#DNA纳米管
2
个
#手性
11
个
#弯曲
2
个
#扭曲
2
个
#DNA纳米技术
3
个
DNA
纳米技术是以
DNA
作为原料，
通过
Watson-Crick
碱基互补配对原理，把
DNA
作为积木搭建出各种
想要的纳米
结构。
其中
，
DNA
纳米管在
光电
器件、生物医学与合成生物学中的应用引起了广泛的关注。
近期，西安交通大学科研人员通过在
DNA
结构单元中定量引入弯曲和扭曲这两种不同性质的形变，实现了对
DNA
纳米管的直径与手性的调节。利用透射电子显微镜
(TEM)
和圆二色性
(CD)
光谱仪，研究了这两种形变对
DNA
纳米管几何形状的独立影响以及两者的协同作用。同时，通过在
DNA
纳米管表面标记链霉亲和素
(SA)
，实现了对
DNA
纳米管的手性、螺旋角和螺距这些等螺旋参数的定量研究。该工作以
“
Chiral DNA Nanotubes
Self-Assembled from Building Blocks with Tailorable Curvature and Twist
”
为题发表在《
small
》期刊上（
DOI:
10.1002/smll.202204996
）。
西安交通大学基础医学院硕士研究生董妞妞为第一作者，西安交通大学临床医学本科生孙怡珊为共同一作，西安交通大学基础医学院孙莎副教授为通讯作者。该工作还得到了重庆大学孙耿教授和西安交通大学张磊教授的协助支持。
此研究由国家自然科学基金等资助支持。
图
1
手性
DNA
纳米管的
设计
。
(a)
由
具有特定形变的
DNA
结构单元
组成左手螺旋的纳米管。
DNA
结构单元的形变可分为
弯曲形变和
左手手性的
扭曲形变。
(b-
c
)
左手螺旋
结构单元
中弯曲形变和扭曲形变的设计
。
(d)
由
具有特定形变的
DNA
结构单元
组成右手螺旋的纳米管。
DNA
结构单元的形变可分为
弯曲形变和
右手手性的
扭曲形变。
(e-
f
)
右手螺旋
结构单元
中弯曲形变和扭曲形变的设计
。
该工作首先
设计了
由
12
个
DNA
双链绑定在一起
的
长方体结构
（
图
1
）
。该结构具有
3
层
DNA
，每层由
4
个
DNA
双链组成。这
12
个
DNA
双链可按四方堆积的模式紧密排列，相邻
DNA
链间通过共价键绑定在一起。为了使长方体结构产生弯曲形变，设计中引入了长度梯度。通过在外层
DNA
中插入碱基以拉长外层的长度，同时在内层
DNA
中删除碱基以缩短
内
层的长度。该设计可使长方体结构产生平面内弯曲的弧度。
此外，还通过设计引入了扭曲形变。我们知道天然的
B
型
DNA
双链本身具有右手螺旋的结构，且螺距为
10.5
个碱基对。当人为增加其螺距时，可使得
DNA
链中的碱基对扭曲不足。为了缓解扭曲不足带来的应力，由
DNA
双链捆绑形成的长方体结构将整体扭曲成右手螺旋。同理，当人为减小
DNA
双链的螺距时，可使碱基对过度扭曲，长方体结构将整体扭曲成左手螺旋来减轻应力。
在引入弯曲与扭曲形变的基础上，研究人员设计将该
长方体结构作为结构单元，在两个方向同时对其进行延伸，即可扩展成具有特定
手性
和特定
直径的
DNA
纳米管（
图
1
）
。
图
2 (a)
无形变的
DNA
结构单元组装形成
平面结构
TEM
图像。
(b)
链霉亲和素
修饰
的平面结构
TEM
图像。
(c)
由
不同弯曲形变的结构单元组装的
DNA
纳米管
TEM
图像。
(d)
结构单元
弯曲形变
程度与
DNA
纳米管宽度
的关系
。
(e) SA
修饰
的
DNA
纳米管
TEM
图像。
无形变的
结构单元沿着
x
轴与
y
轴的方向
同时
延伸
时
，
可
形成二维平面结构，
类似
一张平铺的纸（如图
2a
）。当
在结构单元中引入
弯曲形变
时
，这张由结构单元组成的“纸”也会具有弯曲的性状，
闭合
成为管状结构（如图
2c
）。
当在
结构单元
的
y
轴方向
上
修饰链霉亲和素
(SA)
，这张“纸”上就会形成多个
SA
条带，
并与由弯曲而闭合的
DNA
纳米管的轴线相平行（如图
2e
）。而且
随着
结构单元的形变程度
增加
，这张“纸”的弯曲程度也就越大，所形成的
DNA
纳米管直径就越小（如图
2d
）。
图
3
(a)
左手（蓝色）和右手（红色）手性
DNA
纳米管示意图
，其结构单元具有
扭曲形变
。一系列
手性
DNA
纳米管
TEM
图像
(b)
和
CD
光谱
(b)
，其结构单元具有
不同
的
扭曲形变。
(d-e) SA
修饰
的
DNA
纳米管示意图和
TEM
图像。
(f) S
A
修饰
的手性
DNA
纳米管
背面
示意图。
利用具有扭曲形变的长方体结构作为
结构单元
时，可扩展闭合形成
DNA
螺旋
管，
且该螺旋管
也具有
相应
手性。
如图
3
所示，当
结构单元
为左手螺旋时，可形成具有左手手性的
DNA
纳米管
。
并且随着
扭曲形变程度
的增加
，
DNA
纳米管的直径越小。
同理，利用右手螺旋的
结构单元
可组装形成具有右手手性的
DNA
纳米管。同时，在
DNA
纳米管表面标记
SA
之后
，可在
TEM
下观察到
SA
条带的扭曲方向，从另一个方面验证了
DNA
螺旋管的手性。
图
4 (a)
左手（蓝色）和右手（红色）手性的
DNA
纳米管的示意图
，其结构单元
同时具有弯曲形变和扭曲形变。
(b-c)
手性
DNA
纳米管
TEM
图像
(b-c)
和
CD
光谱图
(
d
-
e
)
，其结构单元具有不同的
弯曲形变和扭曲形变
。
(f)
弯曲形变和扭曲形变
程度与
DNA
纳米管宽度
的关系
。
图
5 (
a)
SA
修饰
的
DNA
纳米管
示意图，其结构单元
同时具有弯曲和扭曲形变。
(b-c)
一系列
SA
修饰
DNA
纳米管
的
TEM
图像
，其结构单元具有
不同
程度的
扭曲形变和弯曲形变。弯曲形变和扭曲形变
程度与
SA
修饰
DNA
纳米管宽度
(
d)
和螺旋角度
(
e)
的关系
。
(f) DNA
纳米管的力学模型。
(g)
弯曲形变和扭曲形变
程度与
DNA
双链
曲率半径
的关系
。
研究人员进一步在结构单元中
同时
引入了
弯曲和扭曲的形变
（图
4
）
。研究发现
同时增加这两种形变可以获得直径更小的手性
纳米管。
此外，通过在纳米管表面修饰
SA
可以获得形变程度与纳米管螺旋角和螺距的关系（图
5
）。通过分析发现，增大结构单元的扭曲形变可以增加纳米管的螺旋角，而增大弯曲形变则会减小纳米管的螺旋角。我们构建了一个简单的力学模型对该现象进行了定性分析。
该
工作的设计
原理可以实现
直径从
数
十
纳米
到数百纳米的
手性
DNA
螺旋
管
的构建，并可在相对大的范围实现
螺旋参数
的调节。
这种由弯曲与扭曲形变的结构单元构成的
DNA
纳米管，在组装具有特定光学和电学性能的功能材料方面有着广阔的应用前景。
原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202204996
相关进展
西安交大刘峰教授与张磊教授合作《Nano Lett.》：利用非手性小分子掺杂调控一维手性结构
华南理工林志伟教授与NIST合作 Science：利用DNA首次实现碳纳米管的可控有序修饰
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