南京大學肖守軍課題組在DNA小環(huán)（小于200個堿基的環(huán)）為骨架鏈構建DNA納米結構的基礎上，通過對內臂長為1.5個螺距的多角星分子瓦（point-star tile）內環(huán)島（roundabout）的編織方式進行調節(jié)，編織了右轉RT（right-turn）、左轉LT（left-turn）、橋連bLW（bridged longitudinal weaving）、和U型回轉UT（U-turn）四種結構的分子瓦，并分別將分子瓦進行偶或奇拼砌（E-或O-Tiling，即偶數或奇數個半螺距的連接）來構建二維納米管或平面。U型回轉的偶拼砌UT10bp-E構筑出手性指數為（2,2）的特殊納米管，雙臂生物素－鏈霉親和素標記（dual-locus biotin-streptavidin labeling）技術確定了該管及其分子瓦UT10bp的右手手性。
圖1 中間的十字雙螺旋模型為c128nt骨架鏈構建的內臂長1.5個螺距的四角星分子瓦，四周為分子瓦內環(huán)島的RT、LT、bLW、和UT的編織模式及其對應的組裝結構。 圖2 打開的納米管上進行原位雙臂生物素－鏈霉親和素標記的全景（G）和高清（H）AFM圖及對應的組裝模型圖（I）和UT10bp分子瓦模型圖（J）。 DNA納米技術使用DNA分子通過堿基配對的右手雙螺旋鏈的相互交叉搭建微納米尺度的平面、管、梁、城堡等靜態(tài)建筑或者剪刀、多米諾骨牌、棘輪、機器等動態(tài)工具。由于DNA材質的軟物質特性，絕大部分DNA分子瓦的偶拼砌（分子瓦同面排列的組裝）形成DNA納米管。Hao Yan教授等提出每一種DNA分子瓦具有固有曲率（Science 2003, 301, 1882），DNA分子瓦的同面偶拼砌累積其固有曲率并形成納米管，而分子瓦的異面奇拼砌相互抵消其固有曲率從而傾向形成平面陣列。過去學術界對分子瓦的固有曲率沒有準確和定量的描述，而課題組最近的工作（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 6759）引入晶體結構手性指數（n,m）來定量描述DNA納米管的曲率、管徑、和偏轉角，并使用單臂生物素－鏈霉親和素標記技術判斷具有二重對稱旋轉軸的DNA納米管及其分子瓦的左右手性結構。 與傳統(tǒng)的內臂長為1個螺距的多角星分子瓦的結構及其組裝的納米結構進行比較，本文對由128個堿基小環(huán)（c128nt）構建的內臂長為1.5個螺距的四角星分子瓦內環(huán)島的編織方式進行了調控，構建了右轉RT、左轉LT、橋連bLW、和U型回轉UT四種結構的分子瓦。結果表明：環(huán)島內具有單鏈段交叉互補連接的RT和LT的偶拼砌可以形成較高產率的納米管；bLW的橋連長度從5-bp增加至16-bp不影響其組裝成納米管的效率，且納米管的管徑從16逐漸增加到51納米；在c128nt 四角星結構內置放一個40個堿基的DNA小環(huán)（c40nt）并與U型回轉的四個單鏈段雜交構建了UT10bp分子瓦（圖2J），其偶拼砌UT10bp-E構筑出手性指數為（2,2）的特殊納米管結構。雙臂生物素－鏈霉親和素標記技術確定了具有四重旋轉對稱軸的（2, 2）納米管及其分子瓦UT10bpUT10bp的右手手性。雖然實驗上可判斷分子瓦的手性，但還缺乏根據分子瓦的編織模式預判其手性結構的理論工作。 DNA納米技術具有可編程設計的優(yōu)點，在三維空間中能精確偶聯(lián)并定位原子級官能團在納米結構中的方位，可以組裝有限和無限納米結構，DNA納米結構形貌可控、產率高、穩(wěn)定性好、生物兼容性好，確定了手性、管徑、甚至管長的DNA納米管將來在DNA存儲和計算、藥物傳遞、生物傳感、生物大分子機器、和生物醫(yī)藥等領域具有應用潛能。 論文信息 Tuning the Roundabout of Four-Point-Star Tiles with the Core Arm Length of Three Half-Turns for 2D DNA Arrays Shijie Li, Yantong Wang, Wei Ge, Wei Zhang, Biao Lu, Feiyang Feng, Caihong Ni, Shou-Jun Xiao 該文收錄于《歐洲化學》“南京大學120周年校慶”特輯。 Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202202863
