封面故事

<正>借助开环优选算法及n-angle star多臂单元,我们利用DNA多边形折纸术在理论上构造了正四面体、正十二面体和"DNA柱"等多种镂空三维结构。为构造这些DNA     

DNA折纸纳米载体在药物递送中的应用

DNA纳米技术是基于沃森克里克碱基配对原则产生可编程核酸结构的技术。因其具有高精度的工程设计、前所未有的可编程性和内在的生物相容性等特点，运用该技术合成的纳米结构不仅可以与小分子、核酸、蛋白质、病毒和癌细胞相互作用，还可以作为纳米载体，递送不同的治疗药物。DNA折纸作为一种有效的、多功能的方法来构建二维和三维可编程的纳米结构，是DNA纳米技术发展的一个里程碑。由于其高度可控的几何形状、空间寻址性、易于化学修饰，DNA折纸在许多领域具有巨大的应用潜力。本文通过介绍DNA折纸的起源、基本原理和目前进展，归纳总结了运用DNA折纸进行药物装载和释放的方式，并基于此技术，展望了今后的发展趋势以及所面临的机遇和挑战。     

用于金刚石表面单分子有序固定的DNA折纸制备

近年来兴起的以金刚石氮-空位(NV)色心为量子传感器的微观磁共振技术得到快速发展,已经实现单个生物分子磁共振谱的探测,正在向单分子结构和功能的研究推进.这其中需要解决一个重要的技术问题,即单分子在金刚石表面的有序分散和固定. DNA的自组装为解决这一问题提供了可行途径,本文使用DNA折纸技术,制备了一种60 nm边长的正方形双层DNA折纸作为单分子载体,并与金刚石表面结合.首先采用双层结构提高了DNA折纸的稳定性,其次通过在DNA折纸边缘添加发卡结构减少了DNA折纸结构间的聚团,最终成功将DNA折纸装配到金刚石表面.通过原子力显微镜图像进行表征显示其结构完整、分散均匀.本工作为后续的单分子磁共振技术在单分子生物物理领域的应用推广奠定了样品制备的基础.     

《自然-方法》：DNA折纸技术有助于开发新型癌症药物

近日,来自卡若琳斯卡学院的研究人员通过研究深入剖析了EphA2受体的功能,EphA2受体对于许多形式的癌症发生非常关键。文章中研究者利用了新型的DNA的折纸技术来进行研究,即将DNA分子改变成为纳米结构,利用这种结构来检测细胞信号的关键理论,相关研究成果刊登于国际杂志NatureMethods上。     

质子驱动的核酸纳米机器

i-motif结构是一种特殊的DNA二级结构,它是由四个胞嘧啶重复序列在质子的参与下形成的四链螺旋,该结构只有在酸性环境才能维持,因此可以将其设计成一个质子驱动的纳米级分子机器。本文通过与其它DNA分子机器比较,详述了质子驱动的分子机器的工作机理,评价了该机器的优越性、做功能力,并介绍了其多方面应用。     

DNA四面体纳米结构及其在生物技术领域的应用进展

DNA四面体纳米结构是一种通过精确巧妙的DNA序列设计,应用碱基互补配对的原则,由4条单链自动杂交结合而成的具有四面体形状的DNA三维纳米结构。其具有良好的生物相容性和优异的细胞膜通透性,同时制备较为简单且产率高、尺寸以及动态性均可调节,因而在微生物鉴定、医学诊断和生物传感器等领域得到了广泛的研究与应用。基于此,介绍了DNA四面体纳米结构及其功能化修饰,综述了DNA四面体纳米结构在生物技术领域的应用进展,以期为推动DNA四面体纳米结构的研究、拓宽其应用领域提供参考。     

基于DNA自组装过程的纳米结构研究

基于DNA自组装的纳米结构在近年来取得了巨大的发展。回顾了DNA纳米结构的原理和发展历程,介绍了DNA纳米结构的特点和优势,对DNA纳米结构在生物检测、纳米反应器、可控排布、纳米机器人和药物递送领域的新进展和应用进行了综述,并对DNA纳米技术的未来进行了展望。     

纳米级壳寡糖/DNA复合物的制备和性能研究

同甲壳素和壳聚糖这种生物大分子相比,壳寡糖具有许多独特的功能性质,如水溶性、保湿性、抗菌性、抗肿瘤和免疫促进性等。以数均分子量为5000的壳寡糖作为研究模型,根据凝胶电泳和紫外光谱分析,提出纳米级壳寡糖与pEGFPC-1质粒能通过静电结合或物理包裹形成复合物从而对DNA进行保护,同时证明形成壳寡糖/DNA复合物后,壳寡糖能够极大地提高DNA的贮存稳定性和结构稳定性;而DNaseI酶解实验也显示纳米级壳寡糖在合适比例下DNA有良好的保护作用,使其不被DNaseI降解,证明了纳米级壳寡糖应用于基因治疗载体的可行性与安全性。     

激光对DNA作用机理的AFM研究

激光作用质粒DNA和小牛胸腺DNA产生损伤效应,导致DNA结构变化,利用一种改进的试样制备过程和纳米显微镜－－原子力显微镜（AFM）能够获得可重现的激光作用质粒DNA和小牛胸腺DNA的AFM图像,显示它们的特殊的表达结构,讨论了激光辐照导致DNA链断裂的作用机理。     

纳米世界的螺旋结构

上世纪50年代,DNA双螺旋结构的发现开创了分子生物学的新时代。如今,美国佐治亚理工学院华人科学家王中林与同事,在纳米的世界里制作出无机晶体材料的螺旋结构。这是人类创造出的又一种崭新的无机功能材料类的"DNA"结构。这种完美纳米螺旋晶体具有刚性结构,由两种具有不同取向的氧化锌纳     

DNA纳米舱可逆开关的性质与应用

由于生物大分子的一些特殊物理、化学属性,蛋白质、核酸等一类生物分子被广泛应用于制备各种纳米结构与器件,但是基于生物分子集体动力学性质的纳米器件还没有真正开发出来。本文讨论一种在表面上自组装形成的具有可逆开关性质的DNA纳米舱结构。由于DNA杂交动力学集体行为的一些特性,此纳米舱可以对小分子进行有效的禁闭和释放,从而可能被应用于开发DNA序列检测芯片的基本元件。我们的研究表明,根据此纳米舱的工作原理制造的DNA检测器件可以探测到一个碱基对的错配,其选择性远高于传统的DNA芯片,同时检测灵敏度也有一定的提高。这个研究结果开创了发展不需要荧光标记的DNA芯片的新思路。     

新型的DNA金属化制作工艺

生物与微细加工技术的结合日益成为一种新趋势,DNA分子具有热力学上的稳定性、线性的分子结构及机械刚性等优点,可以作为制备纳米线的理想模板。通过DNA为模板的金属化,形成导电性好的金属纳米线和金属团簇的纳米结构,使得DNA分子作为纳米导线构筑纳米器件成为可能。在本文中,我们对几种具有代表性的DNA金属化工艺的原理进行了讨论,研究了其新型的制作工艺,通过进一步的自组装和自识别技术,金属化过的DNA就可以被用来构建电路,并作为后续的金属沉积模板,在构筑生物纳米器件的领域将有广阔的应用前景。     

正在崛起的RNA纳米技术

RNA纳米技术得益于纽约大学西曼(Nadrian C.Seeman)教授开创的DNA纳米技术,RNA是由腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)构成的一种核糖核酸高分子,与DNA的Watson-Crick碱基配对(A-T,G-C)的双螺旋链的结构不完全一样,RNA的二级结构里经常出现一些非传统的碱基配对如环环相互作用,这些非传统配对促使RNA分子折叠成刚性结构。本文综述了正在崛起的RNA纳米技术,列举了一些著名的实验,如郭培宣(Peixuan Guo)等从自然界的phi29噬菌体中发现的pRNA纳米马达是由六个小RNA分子构成的六环结构,Jaeger等发展了RNA构造术(RNA-tectonics),根据已知的RNA分子的碱基和非传统配对,他们设计利用小RNA分子构造二聚体、一维线性多聚体、和二维网状的七巧板迷宫(jigsaw puzzle)等图案,用tRNA分子或设计用几条RNA分子来构建多面体如立方体和八面体等立体结构等。RNA纳米技术正在崛起,它将在医学、生物技术、合成生物学和纳米技术领域扮演重要的角色。     

原子力显微镜在生物医学上的应用

原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)是扫描探针显微镜(SPM)的一种,其分辨率达到纳米级,能对从原子到分子尺度的结构进行三维成像和测量,能观察任何活的生命样品及动态过程。本文概述了AFM的基本工作原理及在生物医学上对DNA、蛋白质、细胞及生物过程等方面进行的研究。     

基于核酸适配体的DNA纳米结构在肿瘤研究中的应用进展

DNA纳米结构具有强大的分子载带量、良好的稳定性、可编辑性和生物相容性等特点,是纳米材料领域的研究热点。核酸适配体是一段短的寡核苷酸序列(RNA或ss DNA),能够折叠成特定的三维结构与靶标高特异性、高亲和力的结合。将核酸适配体的分子识别特性和DNA纳米结构相结合,可将靶向识别、生物成像及药物递送等特点集于一体,在生命科学研究领域,尤其是肿瘤领域,有着良好的应用前景。本文介绍了DNA纳米结构和核酸适配体的特点与优势,对近年来核酸适配体-DNA纳米结构在肿瘤标志物检测、靶向成像以及药物靶向递送的研究进展进行了综述,并对其发展前景进行了展望,期待核酸适配体-DNA纳米结构能为肿瘤的靶向诊疗提供新的策略。     

基于后缀列的基因序列最大串联重复查找技术

重复序列分析在全基因组研究中起着重要作用,其首要任务就是在DNA序列中识别并定位所有的重复结构。本文提出了一种新的算法,此算法基于一种简单的数据结构——后缀数,用于查找给定的DNA序列中所有的最大串联重复。并且在该算法的基础上编写了一个有效实用的软件——RepLocate,同时给出了它应用到已知的DNA序列的实例。     

纳米粒子标记DNA 探针在电化学DNA 生物传感器中的应用

介绍了纳米电化学DNA生物传感器的基本概念和分类,并介绍了用于DNA标记的纳米粒子的六种类型及其三大检测方法,在此基础上对纳米电化学DNA生物传感器在基因检测、疾病诊断、DNA检测等方面的最新进展进行了综述与讨论。     

磁性纳米颗粒作为基因转染载体的研究

通过扫描电子显微镜和Zeta电位仪对磁性纳米颗粒的形貌、粒径、表面电位等进行了表征。利用凝胶电泳阻滞试验分析磁性纳米颗粒与DNA的结合情况,研究磁性纳米颗粒对DNA的保护效果,运用MTT和流式细胞术分析磁性纳米颗粒对细胞的毒性。以绿色荧光蛋白基因为报告基因进行293T细胞的转染,研究磁性纳米颗粒与质粒DNA不同比例条件下对293T细胞的转染效率,并与脂质体(Lipofectamine2000)介导的转染进行比较分析。结果表明,磁性纳米颗粒与DNA可以稳定结合,可以保护DNA免受酶的消化作用,当磁性纳米颗粒与DNA比为1 1时,转染效率最高,优于脂质体(Lipotamine2000)介导的转染,且对细胞的毒害作用小于Lipotamine2000。     

纳米粒子标记DNA探针在电化学DNA生物传感器中的应用

介绍了纳米电化学DNA生物传感器的基本概念和分类,并介绍了用于DNA标记的纳米粒子的六种类型及其三大检测方法,在此基础上对纳米电化学DNA生物传感器在基因检测、疾病诊断、DNA检测等方面的最新进展进行了综述与讨论.     

纳米孔测序信号处理及其在DNA数据存储的应用

随着高通量测序技术的不断更新,可以在单个分子水平读取核苷酸序列的第三代测序技术迅速发展,纳米孔测序技术是其具有代表性的单分子测序技术,该技术通过检测DNA单链分子穿过纳米孔时引起的跨膜电流信号的变化,实现碱基识别。纳米孔测序仪在便携性、碱基读取速度、测序读段长度等方面较传统的第一代与第二代测序技术都有明显优势。随着纳米孔测序技术的不断发展成熟,与其配套的各种信号处理与生物信息处理工具也迅速涌现,碱基识别和模型仿真是其中两个较为关键的研究方向。首先介绍纳米孔测序基本原理与信号处理流程,探讨其目前面临的挑战,归纳近年来在碱基识别与纳米孔模型仿真两个方面的主要进展与发展趋势,并用实测数据比较了不同碱基识别方法的性能。继而搭建了纳米孔测序集成仿真平台,为信号处理算法的评估提供支撑。进一步,随着全球数据量的爆发式增长,DNA数据存储正成为未来非常有潜力的海量数据存储方式,采用纳米孔测序读出是一种非常有效的方法。总结了纳米孔测序技术在DNA数据存储中的应用进展,分析了其可行性。分析了基于纳米孔测序实现的人工染色体数据存储的快速读出方法,探讨了与实际测序数据结合的纳米孔测序读段仿真在DNA数据存储中的应用,为开发适合DNA数据存储的方案提供参考。