Acc. Chem. Res.综述：DNA-π两亲分子的设计、自组装和应用

【研究背景】

DNA通过沃森和克里克碱基配对识别互补链的能力是自然界中发现的最可靠的分子识别事件之一。这种DNA编码的高度特异的序列信息使其成为自下而上自组装的多功能构建块。因此，功能纳米结构的修饰与信息丰富的DNA是极其重要的，因为这使得其他功能分子以高度可预测的方式通过DNA杂交将其他功能分子集成到纳米结构的表面。DNA两亲性是一类短亲水性DNA与疏水部分结合的分子杂交。由于DNA两亲分子以DNA为亲水片段，在水介质中自组装，往往导致以DNA为壳形成纳米结构。这清楚地表明，DNA两亲分子的自组装是一种简单的策略，可将DNA用于修饰纳米结构。然而，最初的设计DNA两亲性的尝试主要集中在作为疏水部分的长柔性烃链上，并且在几个例子中已经证明它们通常自组装成DNA修饰胶束（球形或圆柱形）。因此，分子水平控制DNA两亲分子的自组装和获得多样的形态是一个极具挑战性的问题，直到最近才实现。

【成果简介】

近日，印度科学教育与研究学院Reji Varghese教授介绍了团队在DNA两亲分子自组装领域的研究，并描述了在设计DNA两亲分子（DNA-π两亲性分子）时，大π-表面作为疏水片段的显著效果。结果表明，强烈的π-π堆积相互作用主要决定了它们以层状方式自组装，从而形成了DNA修饰的层状纳米结构。因此，通过选择合适的π-表面可以很容易地调节自组装路径和所合成纳米结构的形态。作者进一步讨论了各种层状DNA纳米结构的设计原则，包括单膜囊泡、二维纳米片和扭曲手征带。讨论了纳米结构在等离子体纳米材料和催化活性纳米粒子（NPs）DNA定向组装中的应用，同时还包括了刺激响应型DNA纳米结构的设计及其作为有效载荷传递的纳米载体的潜力。该文章近日以题为“DNA−π Amphiphiles: A Unique Building Block for the Crafting of DNA-Decorated Unilamellar Nanostructures”发表在知名综述Acc. Chem. Res.上。

【图文导读】

图一、DNA两亲物

（a）DNA两亲物自组装成球形或圆柱形胶束的概述。

（b）DNA-b-聚苯乙烯的自组装。

（c）DNA-b-聚环氧丙烷的自组装。

（d）DNA-π两亲物自组装为不同单层纳米结构的示意图。

图二、DNA装饰的单层囊泡

（a）DNA1-3的结构及其自组装成囊泡。

（b-g）DNA1-3囊泡的AFM图像和TEM图像。

（c）DNA1，DNA2，DNA3的荧光随温度变化。

图三、基于主客体作用的DNA-π两亲物

（a）β-CD功能化DNA（DNA4）和金刚烷功能化发色团的结构。

（b）通过β-CD和金刚烷之间的客体相互作用非共价合成超分子两亲物，并自组装成囊泡。

（c）DNA4@1囊泡的TEM图像，插图显示了囊泡的放大图像。

图四、DNA修饰的二维纳米片

（a）基于HBC的两亲物的结构及其自组装成结晶的2D纳米片的过程。

（b-e）DNA6纳米片的SEM，TEM和HR-TEM图像。

图五、基于AIE的DNA二维纳米片

（a）基于TPE的两亲物的结构及其自组装成纳米片的过程。

（b-e）DNA8纳米片的SEM，TEM和HR-TEM图像。

图六、DNA修饰的扭曲缎带

（a）基于HPB的两亲物的结构及自组装成具有M螺旋的纳米缎带。

（b）DNA9纳米带的温度依赖的手性研究。

（c-e）DNA9纳米带的TEM，AFM以及SEM图像。

图七、DNA纳米结构作为纳米材料组装的模板

（a）以DNA1为模板的纳米粒子组装及TEM图像。

（b）不同温度下DNA1囊泡和DNA1@AuNP的荧光光谱比较。

（c）以DNA6为模板的纳米粒子组装及TEM图像。

（d-f）DNA9螺旋带上AuNPs和AuNRs螺旋结构的示意图和TEM图像。

图八、DNA纳米结构作为催化剂的模板

（a）将催化活性AuNPs固定在DNA8板上，使用DNA8@NP纳米板作为催化剂还原4-硝基苯酚以及通过超滤回收催化剂的示意图。

（b）固定在DNA8板上的AuNPs的TEM图像。

（c-d）4-硝基苯酚的还原和反应动力学研究。

图九、DNAsome作为药物递送的纳米载体

（a）pH响应性DNAsome设计的示意图。

（b-c）pH=7.3时的DNA11囊泡的AFM和TEM图像。

（d）pH=5时的DNA11纳米结构的AFM图像。

（e）随着pH值的变化，NR@DNA11的荧光变化。

【结论展望】

本文综述了DNA-π两亲分子的设计与自组装，探索了π-π堆积的显著能力，可用于各种单纳米结构的构建。研究结果已经证明，DNA-π两亲分子是一种独特的分子构建块，可用于制备不同形貌的DNA修饰纳米结构，在材料科学、纳米技术和纳米医学中具有潜在的应用前景。这一领域未来发展的一个方向是设计其他形态，如纳米管、多层和不对称纳米结构，这将使研究人员拥有一套完整的工具箱，用于设计不同种类的DNA修饰纳米结构。这些纳米结构可以通过利用DNA的响应特性（pH、酶、小分子相互作用等）或通过可切割的连接体连接亲水和疏水片段，很容易使这些纳米结构具有响应性。这种对刺激反应灵敏的生物材料在生物医学领域有着广泛的应用，包括药物传递、无创治疗和诊断。最后，本文所讨论的DNA-π两亲分子将鼓励其他研究者进一步研究DNA两亲分子自组装途径的基本方面，并探索其在各个领域的应用。

文献链接：DNA−π Amphiphiles: A Unique Building Block for the Crafting of DNA-Decorated Unilamellar Nanostructures (Acc. Chem. Res., 2020, DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00492)

本文由大兵哥供稿。

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