除了粘性末端，这些DNA纳米结构的连接方式也值得借鉴！

自DNA纳米技术发现以来，该领域经过了长久的发展。科学家们开发出了多种DNA纳米结构单元，包括DX，TX，PX及DNA origami等。为了进一步得到更为复杂，应用更加广泛的结构，需要多个结构单元的组合。因此，结构单元之间的连接方式对整体结构的稳定性至关重要。Seeman教授曾在1982年提出结构DNA纳米技术时就指出，多个结构单元可以通过粘性末端连接成大的组装体，截至目前，粘性末端连接的方式仍被广泛使用。除此之外，通过交叉结构连接^1-3,9、化学分子连接⁴、金属纳米颗粒¹⁰、DNA linker^8,11以及特殊的几何结构^5-7也可以实现多个结构单元的组合。下面就让我们具体来看一下这些连接方式吧！

1998年，Seeman教授课题组尝试将一种三角形的DNA结构连接起来，他们采用的方法是在三角形的侧面加上一段DX结构，从而将多个三角形排列成更大的结构。这种以DX连接的方法相比于之前的通过DNA双螺旋连接的方式，结构的稳定性有所提高，但是仍然不够，产物依然会出现环化、团聚等副产物。

小结：该研究提供了一种利用DX连接多个结构单元的方法，虽然对于文中的三角形结构而言，其稳定性依然有待提高，但对于后续研究中其他结构的组装仍然具有参考意义。

2002年，Seeman团队再次开发出了一种新的连接方式——PX。相对于之前的DX连接，他们做了一部分改进。他们在三角形DNA结构单元的DX边缘一端延伸出一段未形成交叉的DNA，它可以同另一个三角形结构延伸出来的DNA组装形成PX交叉结构，从而将两个三角形连接起来。因此，这种方法用中间的一段PX结构取代了之前DX连接方式中的一部分DX片段。实现了PX连接的多个三角形的组装。

小结：这种方法以PX替换DX，这种互相连接的DNA双螺旋结构提供了一种新的、简单的DNA纳米结构单元的连接工具。

2004年，Seeman团队为了解决之前DX连接三角形DNA结构单元时出现的结构不稳定、产物不均一的问题。他们设计了一种新的完全由DX构成的三角形结构，然后通过DX连接，首次实现了类似六方晶形二维结构的组装。

小结：通过改变结构单元的DNA交叉组成，证实了DX也是一种有效的DNA纳米结构连接工具。

2005年，Seeman团队开发了一种四臂十字形DNA连接子，他们设计了一种DNA-卟啉连接子，该分子的四个分支上都连接有十个核苷酸的寡核苷酸链。在被连接的Tile结构上同伸出一条互补的标签链，那么通过碱基互补就可以依靠DNA-卟啉连接分子将多个Tile结构连接起来。该团队通过这种方法组装出了DNA纳米管结构。

小结：这是一种新的将核酸与化学分子结合实现DNA结构单元连接的方法，将有望用于其他纳米结构的组装当中。

2010年，自2006年DNA折纸术发现之后，DNA纳米技术得到空前的发展。通常，将DNA origami tile连接成较大的结构的方法是利用粘性末端形成DNA双螺旋。但这种方法效率较低，连接多个Tile时往往需要设计较多的粘性末端且退火程序较为复杂。Masayuki Endo等人开发了一种不使用粘性末端的方法，他们设计了一种拼图状结构的DNA origami Tile，利用其特殊的几何结构则可将多个Tile连接起来。

小结：该方法巧妙利用Tile的几何结构，成功避免了使用较多的粘性末端，不过此文中的Tile结构只能形成一维长条状的组装体。

2011年，Hiroshi Sugiyama团队在之前的工作上加以改进，设计了一种新的DNA origami Tile，同样利用拼图的方法，将九个不同的DNA origami Tile组装出了一个较大面积的二维DNA纳米图形。

小结：该方法在改进之后，增加了拼图连接方式的应用范围，为DNA origami tile连接提供了一种可行的方法。

2011年，Hiroshi Sugiyama团队还将拼图结构重新设计，开发了一种四臂连接子，在上下左右四个方向上都可以连接Tile结构。

小结：这种连接子的设计，成功实现了四个方位的DNA Origami Tile结构的组装，并且进一步拓展了拼图方法连接的DNA纳米结构的复杂度。

2011年，颜颢课题组也在DNA origami Tile的连接上有了成果，他们采用的方法是：先形成一个DNA折纸框架，然后将相应的DNA origami Tile结构填充到框架中，从而将多个Tile连接起来，形成较大的、更为复杂的结构。

小结: 这种方法通过预先设计的框架确定了DNA origami Tile的位置及最终产物结构，不仅使得产物尺寸及形状可控，还避免了使用粘性末端的连接方式。

2015年，Seeman教授团队为了将由DX构成的Tile结构连接起来，在Tile结构上伸出一段不完全配对的DNA双螺旋尾，这一尾端可与另一个Tile结构的尾端配对形成PX结构，从而将两个DX tile结构拉近。然后，他们使用了一种酶Topo I，在这种酶的作用下，相邻的Loop被连接起来，从而实现了两个DX的结合。以这种方法组装出的一维DX排列稳定性很好，即使在变性的环境下，也能保持形状完好地存在一段时间。

小结：这种结合PX及Topo酶的方式得到的结构更加稳定，对于DNA纳米结构的应用研究更加有利。另外，这种新颖的DNA tile的连接方法也可以推广到更加复杂的二维甚至三维DNA纳米结构的组装中。

2015年，樊春海教授课题组独辟蹊径。他们在DNA折纸(DNA Origami) 结构上设计一些DNA标签，这些标签可以同特定的DNA链互补，他们将互补链修饰在金纳米颗粒上，这样，将修饰过的金纳米颗粒同DNA Origami退火后就可以实现多个DNA Origami Tile 通过金纳米颗粒结合到一起。文中，他们依靠这种方法实现了多种组合的DNA纳米结构的组装，并且他们发现随着DNA Origami Tile结构同金纳米颗粒的比例变化，产物结构中DNA Origami Tile的个数也随之变化。

小结：这种利用金属纳米颗粒介导DNA Tile结构组装的方法，不同于以往使用DNA双螺旋、DNA交叉等连接方式，这种金属纳米颗粒同DNA 的结合使得组装产物在纳米光电子学、生物传感、能量收集等领域存在潜在的应用。另外，这也为DNA origami 组装成较大的图形结构提供了一种通用的方法。

2016年，Shalom J. Wind团队将两个DNA origami Tile上下并排排列，然后依靠一种贯穿上下了两个Tile结构的垂直Linker DNA将两个Tile连接了起来。他们不仅成功将两个长方形结构的Tile连接了起来，还探索出组装产物的产率在Mg2+浓度高时更高。
小结：这一方法为更为复杂的DNA origami Tile结构的组装提供了一种除了粘性末端之外的可选的连接工具。

参考文献

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11.Wang R, Gorday K, Nuckolls C, et al. Control of DNA origami inter-tile connection with vertical linkers. Chem. Commun. 52, 1610-1613 (2016).

本文由纳米组Jing供稿，材料牛编辑整理。

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