dna折纸术纳米反应器_贾思思 11页

PＲOGＲESSINCHEMISTＲY化学进展DOI:10.7536/PC140130*DNA折纸术纳米反应器＊＊＊＊贾思思晁洁樊春海柳华杰(中国科学院上海应用物理研究所物理生物学实验室上海光源生物成像中心上海201800)摘要基于DNA折纸技术，构建具有纳米尺度可寻址的新型DNA纳米反应器，是DNA纳米技术领域的一个最新研究思路和方向。它的优势首先在于其纳米定位能力，通过不同的化学或生物相互作用，已能够实现对包括化学小分子、生物大分子及人工纳米材料等的纳米级精确定位;其次，DNA折纸结构的丰富多样性，使构建纳米级仿生限域环境成为了可能;此外，DNA折纸结构本身的生物相容性及优良的产率，也保证了这一材料的可应用性。本文首先介绍了在DNA折纸结构上，对不同材料和分子进行纳米定位的一般方法和最新进展。然后，着重阐述了基于纳米定位技术，以DNA折纸结构作为纳米反应器，对一些化学、生化反应的成功调控。最后，基于现有的工作基础，我们提出了DNA折纸术纳米反应器概念在未来的发展方向及应用前景展望。关键词DNA折纸术纳米反应器纳米定位单分子反应酶联反应中图分类号:O643.13;Q523;TB383文献标识码:A文章编号:1005-281X(2014)05-0695-11*DNAOrigamiNanoreactors＊＊＊＊JiaSisiChaoJieFanChunhaiLiuHuajie(DivisionofPhysicalBiology＆BioimagingCenter，ShanghaiSynchrotronＲadiationFacility，ShanghaiInstituteofAppliedPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai201800，China)AbstractItisanewideatoconstructDNAnanoreactorwithnanometeraddressabilityusingDNAorigamitechnology．OneofthemostremarkablefeaturesoftheDNAorigamimethodisthepreciseaddressabilityofthestructuresformed．Bybiologicallyandchemicallymodifyingspecificstaplestrands，itispossibletofunctionalizeDNAorigaminanostructureswithsmallchemicalmolecules，biomacromoleculesandartificialnanomaterialsonwell-definedpositionswithnanoscaleprecision．TheshapediversityandgoodbiologicalcompatibilityofDNAorigamimakesitaperfectnanomaterialforconstructingnanoscalebiomimeticconfinementenvironment．Inthisreview，wefirstintroducethegeneralmethodandthelatestprogressfornano-addressablepositioningofdifferentmaterialsandmoleculesonDNAorigaminanostructures．ThenutilizingDNAorigaminanostructuresasnano-addressablereactorswithconfinednanoscalespaces，wefocusontheregulationofchemicalandbiochemicalreactionsinthesenanoreactors．Attheend，thefuturedirectionsandpotentialapplicationsofDNAorigaminanoreactorsareforeseen．KeywordsDNAorigami;nanoreactor;nanoaddressability;singlemolecularreaction;enzymaticcascadereaction收稿:2014年1月，收修改稿:2014年2月(特约)，网络出版:2014年4月4日*国家重点基础研究发展计划(973)项目(No．2013CB932800)和国家自然科学基金项目(No．21103219)资助TheworkwassupportedbytheNationalBasicＲesearchProgramofChina(No．2013CB932800)andtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．21103219)＊＊Correspondingauthore-mail:liuhuajie@sinap．ac．cn;fanchunhai@sinap．ac．cnTheseauthorscontributedequallyhttp://www．progchem．ac．cnProgressinChemistry，2014，26(5):695～705 Ｒeview化学进展应，因此能够在极低的反应物浓度和非常温和的反［2］应条件下高效的进行。受自然界启发，可以预测，通过在受限空间中精确定位反应物，不仅能够实现在空间上拉近反应基团、提高有效反应浓度，还有望对各基团的取向、排列顺序与数量进行精确调控、以期实现对反应进程及选择性的控制。实现这一目标的难点和关键在于［3］构建具有纳米级分辨率的化学反应器。作为天然的纳米材料，DNA分子恰恰满足了以上要求。1982年，Seeman教授首次提出通过DNA自组装构［4，5］建具有一定空间构形的纳米结构的概念，并带Inthisreview，wesummarizerecentprogressinusingDNA［6，7］。2006年，动了结构DNA纳米技术的发展壮大origamibasednanoreactorsforregulatingchemicaland作为一个新的里程碑，Ｒothemund提出以众多短订biochemicalreactions．Newchallengesandfuturedirections书钉链引导长骨架链定向折叠，形成名为DNA折纸arealsoforeseen．术(DNAorigami)的结构，该工作以接近100%的产Contents率成功组装了包括正方形、五角星、笑脸等不同的对［8］1Introduction称二维纳米结构，并实现了6nm的分辨率。紧跟2Nano-addressablepositioningonDNAorigami其脚步，钱璐璐等组装出具有中国地图形状的非对［9］nanostructures称DNA折纸结构。随后，更多更复杂的不同形［10］［11～13］［14，15］［16～18］2.1Positioningoffunctionalgroups状、维度、尺寸及聚合度的DNA折纸术结构如雨后春笋般不断涌现，将该技术推向2.2Positioningofbiomacromolecules［19，20］了出神入化的境地。另一方面，在DNA模板2.3Positioningofsyntheticnanomaterials指导化学反应方面，哈佛大学的DavidLiu教授进行3Ｒegulationofsinglemolecularchemicalreactions［21］了开创性的探索。他们的工作证明，将反应基团3.1Cleavagereactions分别连接到互补的DNA链上，在DNA杂交的同时，3.2Couplingreactions反应基团靠近，成功提高了反应效率。Gothelf小3.3Polymerizationreactions［22］［23］组和Willner小组也发现，简单的有机聚合反4Ｒegulationofsinglemolecularbio-recognitionsand应可以沿DNA双链为模板进行，并且Gothelf等还biochemicalreactions－24基于DNA的Holliday结构构建出仅有10L4.1Molecularrecognitions［24］(yoctoliter，yL)体积的最小的反应体系。4.2Enzymaticcascadereactions结合以上两方面的工作基础，将DNA折纸结构5Conclusionandoutlook作为纳米反应器，是目前一个最新的研究方向。1引言DNA折纸术在二维及三维上的纳米定位能力和结构多样性，可以克服以简单DNA双链为模板进行化尽可能精确控制化学反应，以期在最简单、温和学反应时的维度局限性，真正实现反应物在空间排的条件下获得最高的效率及选择性是自然科学追求列上的精确控制，并构建出具有仿生特性的纳米限的一个重要目标。基于热力学及动力学的考虑，化域体系，不仅有望极大提升反应效率与选择性，也是学家们努力通过改变反应条件、提高反应物浓度、加研究单分子反应的优良平台。本文将首先讨论入催化剂等手段来提升化学反应效率。然而，绝大DNA折纸结构对不同物质的纳米定位能力，然后基多数人工化学反应都在均相介质中进行，对其反应于这种纳米定位能力，对新近出现的调控化学及生参数的调节往往只能产生非常有限的效果。与之相化反应进展加以综述，并展望未来的发展方向和应反，大自然用另外一种途径来控制化学反应，例如核用前景。糖体中的蛋白质合成、细胞核中DNA的复制、叶绿［1］2DNA折纸结构上的纳米定位体中的光合作用等。这些例子的共同特点是，它们都是发生在有限纳米尺度空间中的高度有序反对化学及生化反应的精确调控，首先需要实现·696·ProgressinChemistry，2014，26(5):695～705 贾思思等:DNA折纸术纳米反应器综述与评论对反应物的精确定位。DNA折纸术最大的特点是具有纳米级的空间可寻址性。由于DNA折纸术结构上的数百条订书钉链的位置都是独一无二的，通过对特定订书钉链进行修饰或序列延伸，就可以实现从小分子官能基团到蛋白质等生物分子及金属、半导体等无机纳米颗粒在DNA折纸术结构上的精确定位组装，以便为在纳米尺度进行单分子水平化学及生化反应提供基础。2.1小分子官能团的纳米定位随着DNA合成及修饰技术的发展，许多常见的图1DNA折纸结构上小分子基团的“分子穿越”现官能基团，如氨基、巯基、羧基、磷酸基、可用于Click［30］象反应的炔基和叠氮基及众多的荧光基团，均可通过Fig.1MolecularthreadingoffunctionalgroupsonDNADNA固相合成或合成后修饰的方法被连接到DNA［30］origaminanostructures链的末端或中间碱基上。因此，在DNA折纸结构上进行小分子官能团的纳米定位，只需将所设计位置分子在DNA折纸结构上的纳米定位更多的用到特的订书钉链进行预先修饰即可。通过这个策略，异性的生物识别作用。Tinnefeld和Simmel等首先实现了荧光基团阵列在其中，最简单且最广泛使用的方法是生物素-链DNA折纸术上的纳米定位排列，并提出由于折纸术霉亲和素相互作用。Kuzyk等探索了链霉亲和素在上荧光基团的间距是精确可控的，这种技术可用来二维DNA折纸上定位组装的一般方法，并区分了一［25，26］［31］。Kuzuya等用了另外一种设计，通对超分辨成像技术进行校准。另一方面，将不步法和两步法同荧光基团进行连续排列，可实现荧光共振能量传过在DNA折纸结构中置入孔洞来减小识别位阻及［27］［28］递(FＲET)的有效控制，并构建人工光天线。进行空间限制，成功实现每个孔洞只识别单个链霉［32］此外，通过荧光基团种类和数量的不同组合，哈佛大亲和素。在此基础上，Niemeyer小组将蛋白质-学的Yin和Shih等构建出一套基于亚微米尺寸小分子配体亲和识别概念进行了推广，设计了在单DNA折纸术棒状结构的仿条形码系统，可作为新型个DNA折纸结构上进行正交识别，同时实现了多种［29］［33］。的荧光生物探针用于生物成像。不同蛋白质的定位一个需要注意的问题是，由于DNA折纸结构本此外，已被报道的其他定位识别方法还包括Ni-［34］身存在两面性，而且并非完全致密，有许多纳米级的NTA与His-tag蛋白的识别、锌指蛋白对特殊［35］穿透小孔，表面上定位的小分子基团有可能从孔中DNA序列的识别等。通过DNA杂交也是一种在穿越到另一面，从而影响定位准确性。本课题组以DNA折纸结构上定位生物大分子的有效方法，Yan生物素基团作为模型，并借助观测生物素-链霉亲和课题组将多肽偶联到DNA单链上，再通过与DNA［30］［36］;素的识别作用对此进行了研究。我们发现，当生折纸上的订书钉链延伸链进行杂交实现了组装物素基团与DNA折纸平面间存在一定长度的单链另外，更大尺寸的MS2噬菌体也可通过此方法在［37］DNA时，生物素基团的确可通过“纳米孔”穿梭到折DNA折纸上实现定位。纸的另外一面，且在一定范围内，单链长度对分子识需要注意的是，这些方法都需要对特殊位置的别反应具有显著的调控作用，长度越长反应越快订书钉链进行预先化学修饰，而对每个特殊位点上(图1)。“分子穿越”现象的发现不仅揭示了一个的每条订书钉链进行单独的化学修饰经济成本和时以前被忽略的设计要点，也为如何克服由于DNA折间成本均较高。Gothelf小组提出了一种更为方便、纸结构在基底表面吸附取向造成的难以两面同时定快捷且廉价的解决方案，能对DNA折纸上多个位点［38，39］位问题，提供了线索。的订书钉链同时进行化学官能团修饰(图2)。2.2生物大分子的纳米定位这种方法主要依赖于对末端转移酶的巧妙运用，在在纳米级别精确控制生物大分子的相对位置，该酶的作用下，他们能一次性在多条订书钉链的3’对于深入了解生物分子间相互作用的基本规律及实端共价连接上一个带有特定化学官能团(如生物现仿生合成具有重要意义。与小分子不同，生物大素、地高辛抗体、荧光基团等)的双脱氧核苷酸，继化学进展，2014，26(5):695～705·697· Ｒeview化学进展［53］米金颗粒间的荧光增强现象。Klein等基于纳米金在DNA折纸结构上组装的线性阵列，构建了纳米光波导，并研究了纳米金定位不同对效果的影响。图2借助末端转移酶批量进行订书钉链的末端功能化［38］及生物大分子在DNA折纸结构上的图案化定位Fig.2ParallelenzymaticmodificationofstaplestrandsandnanoaddressablepatterningofbiomacromoleculesonDNA［38］origami而进行下一步的生物大分子-化学小分子识别定位。由于该酶促反应快速、条件温和，适合于大规模及普适性生物标记，同时，该方法使用的是未经修饰的DNA分子，也大大节约了成本。2.3人工合成纳米材料的纳米定位除了各类分子，DNA折纸结构优异的纳米定位能力也为构建有序纳米粒子阵列提供了可能。值得注意的是金属纳米颗粒阵列，基于独特的表面等离子体共振性质，被认为是构建新型纳米光子学、纳米［40，41］光电及纳米催化器件的基础。Yan课题组在金属纳米颗粒的DNA折纸术定图3平面DNA折纸结构两面分别定位金纳米粒子［50］［51］位这一方向进行了开创性的探索。首先，他们针对(a)和纳米棒(b)实现旋光性调控Fig.3Opticalchiralitycontrolbasedonbifacial通常单巯基修饰DNA与纳米金间单个金-硫键不够［50］nanoaddressableassemblyofgoldnanoparticles(a)and稳定的问题，提出用双巯基修饰的DNA与纳米金连［51］nanorodsarrays(b)接，进而在DNA折纸上进行定位组装，显著提升了组装产率［42］。之后，他们又设计在DNA折纸术上［54，55］［56］此外，量子点以及碳纳米管等其他纳米的单个位点伸出三条相同订书钉链与纳米金上的材料，也已初步实现了在DNA折纸结构上的定位组DNA杂交，使纳米金的定位准确性得到了提高，并装。然而，由于人工合成纳米材料的多样性及重要［43］构建出自相似的不同粒径纳米金线性阵列。此性，因此，今后该方向也有更多的挑战需要解决。如［44］外，他们及其他课题组还实现了纳米银、金纳米较大尺寸及复杂几何形状纳米材料的精确定位、纳［45，46］［47］棒、及较大粒径纳米金在DNA折纸术上的米材料在三维尺度的精确定位、更多半导体及非金定位组装，并初步发现了这些材料吸收光谱的变化。属纳米材料的精确定位等。发展新的纳米材料修饰尽管相关研究才刚刚起步，目前，已有一些小组及定位方法，提高定位的效率及精度必将是未来的对DNA折纸模板上金属纳米颗粒阵列的表面等离研究重点。［48］子体共振效应进行了有意义的探索。Liedl小组［49］3单分子化学反应的调控和丁宝全小组分别基于DNA折纸术纳米棒和纳米管构建了螺旋形状的金纳米颗粒阵列，并实现了基于上述的纳米定位技术，多种类型的官能团［50］［51］手性的控制。丁宝全小组和王强斌小组还利在DNA折纸结构上的位置、间距、排列顺序、数量等用更简单的平面长方形DNA折纸结构，通过分别在都可被精确的调控。同时，DNA折纸结构的可变性其两面定位组装金纳米粒子和纳米棒，同样实现了也使构建不同形状、尺寸、维度的纳米级限域空间成［52］旋光性的调控(图3)。Acuna和Tinnefeld等通为了可能。结合以上这两点，DNA折纸术纳米反应过在DNA折纸术纳米棒的两侧各定位组装一个器有望成为在单分子水平研究化学反应的理想平80nm的金纳米颗粒，形成纳米天线，研究了在两纳台。目前，这一领域正刚刚起步，但现有的一些进展·698·ProgressinChemistry，2014，26(5):695～705 贾思思等:DNA折纸术纳米反应器综述与评论表明，即使以最简单的二维长方形DNA折纸术为模连接方式:不能被打断的LinkerA(作为参照)、包含板，已可以实现高效的单分子化学反应，显示了未来有二硫键的LinkerB(可被DTT切断)、包含有烯键巨大的潜力。的LinkerC(可被光化学反应切断)。通过依次加入3.1化学键的断裂DTT和曙红分子，可依次切断与之对应的Linker，使Gothelf小组首先实现了在长方形DNA折纸结连接的链霉亲和素从DNA折纸上脱落。通过原子［57］构上进行纳米定位的单分子化学键断裂反应。力显微镜(AFM)表征，即可清楚地观测到由每次化如图4所示，他们设计了12个不同的位点，每个位学键断裂而产生的图案变化。值得一提的是，这些点的订书钉链最外端修饰有生物素并连接链霉亲和反应均显示出很高的产率。素。生物素与订书钉链之间还存在三种不同类型的［57］图4DNA折纸结构上的单分子化学键断裂反应［57］Fig.4SinglemolecularcleavagereactionsonDNAorigamitemplates［60］此后，他们进一步研究了光化学反应产生的单展新的分子印刷术带来了希望。线态氧对化学键的切断效率，发现化学键与单线态3.2化学键的形成氧生成点的距离和切断效率之间存在同步变化关Gothelf小组同时也研究了单分子共价连接反［57］系，表明该反应取决于单线态氧在二维平面上的扩应。如图5所示，同样借助链霉亲和素标记，他［58］散时间。基于相似的思路，Keller和Bald等研究们可以通过AFM观测到不同的化学键纳米点位形了低能电子对二硫键及TT间DNA骨架的不同切断成过程，包括氨基与NHS酯的连接、炔基与叠氮基［59］效率。最近，Gothelf小组的工作还表明，化学键的Click反应等。这些反应也都具有很高的产率，的断裂可实现特定纳米图案从DNA折纸术上转移再次表明DNA折纸结构是研究单分子反应的很好到另一本不具有纳米定位能力的普通基底上，为发平台。化学进展，2014，26(5):695～705·699· Ｒeview化学进展［57］图5DNA折纸结构上的单分子化学键形成反应［57］Fig.5SinglemolecularcouplingreactionsonDNAorigamitemplates3.3纳米图案化聚合反应将单体分子连接在DNA折纸术模板上形成特定图除了上述反应外，柳华杰和Gothelf等还研究了案，然后通过相邻分子间反应使多个单体实现定位以DNA折纸术纳米反应器实现图案化聚合反应共价聚合。他们以树状大分子作为模型，通过Click［61］(图6)。高分子的纳米尺度精确定位聚合一直反应，首次实现了在纳米尺度精确控制制备高分子是一个难以解决的问题，它的关键在于很难控制单聚合图案，并有望将这一技术向纳米级三维空间拓体分子的空间排列。DNA折纸术纳米反应器概念展，自下而上的制备具有纳米精度的三维聚合物材的提出，使得这个问题迎刃而解。具体思路是，首先料，与自上而下3D打印技术相互补。4单分子生物识别及生化反应的调控与人工化学反应相比，天然的生物识别作用及生化反应显得更为复杂，但是，往往也更为高效，并且能够实现许多至今仍无法合成的天然产物制备。对生化反应的模拟，不仅为深入理解生命过程提供［62］了线索，也为进行人工生物合成带来了希望。DNA作为优异的天然大分子，近年来已被认识到可［63］作为骨架构建模拟生化过程。Niemeyer小组、［64］［65］Willner小组和史林启等相继提出利用简单DNA双链和网格结构对酶的级联反应进行静态调［66］控。最近，刘冬生等又提出了通过DNA机器对［61］图6DNA折纸结构上的纳米图案化聚合反应酶联反应进行动态调控的新思路。而DNA折纸技Fig.6Nanoaddressablepatternedpolymerizationreactions术的出现，更为该方向的进一步发展，实现模拟生物［61］onDNAorigamitemplates限域反应带来了新的希望。·700·ProgressinChemistry，2014，26(5):695～705 贾思思等:DNA折纸术纳米反应器综述与评论4.1生物分子识别生物分子间的特异性识别作用可被认为是一种简单的反应，也是进行更复杂生化反应的基础。这些众多的识别作用中，首先被研究的是核酸链之间的杂交作用。2008年，Yan课题组首次通过在DNA折纸术的不同位置延伸单链DNA探针，进行与底物ＲNA的识别研究。结果发现，标记在不同位置的探针链，由于DNA折纸术模板的位阻效应，与ＲNA杂［67］交的效率并不相同。他们进而优化了设计，并将［68］其应用到高灵敏度ＲNA的检测。本课题组也针对DNA折纸术可能的位阻效应，对蛋白质与小分子的识别进行了研究。我们以生物素-链霉亲和素体系为模型，研究了生物素位于DNA［69］折纸上不同高度时对识别的影响。结果表明，即使在生物素分子紧贴DNA折纸术表面时，仍具有很高的识别活性，反映出这一特殊识别体系的高效性。另一方面，DNA折纸术的纳米定位能力使其非常适合应用于距离依赖的单分子分析，及特定空间排列的多价体系研究。以二价DNA适配体与蛋白图7DNA折纸结构上的单分子生物识别。(a)生物素质之间的识别为模型，Yan课题组研究了DNA折基团在DNA折纸结构上不同高度时对链霉亲和素的识［69］纸术结构上二价DNA适配体与蛋白质识别的距离别;(b)二价DNA适配体与蛋白质识别的距离依赖［70］依赖性，并获得了定量的数据，为该方法扩展到其他性［70］。Fig.7Singlemolecularbio-recognitionsonDNAorigami．体系提供了基础(a)Ｒecognitionofstreptavidintobiotinwithaspecific4.2酶的级联反应［69］heightvalueonDNAorigami;(b)Distance-dependent高效特异的酶级联反应是生命活动的基础。为［70］multivalentaptamer-proteinbinding了实现最高的反应效率与选择性，通过亿万年的进化，参与级联反应的多种酶被生物体按照精确的空种酶间距非常小时，具有更高的反应效率，他们由此间排列集成在生物膜、囊泡、支架蛋白等限域空间提出在此情况下，中间产物的传输可能并不经过溶内，它们之间物质的输运和能量的传递都局限在这液扩散，而是直接通过酶表面的水化层进行传递，为［71］些有限空间中，并遵循特定的规律。充分认识酶未来发展新的反应技术提供了思路。与酶之间这种空间组织排列对研究基本生命过程非与具有三维限域性的天然生化反应体系相比，常重要，对结构仿生与应用也具有重要价值。随着平面DNA折纸结构只能在二维尺度上对扩散进行DNA纳米技术的发展，不少研究者都认识到DNA半限域的调节，因此，发展仿生的更高维度DNA纳纳米结构是模拟生物限域反应环境上的有力工具。米反应器必将是未来的发展方向。针对此，我们新DNA折纸技术的出现，更为从更复杂空间和更高维发展了一套具有普适性的DNA折纸结构快速构建度研究酶的级联反应带来了曙光。方法，并构建出可控长度与直径的DNA折纸术纳米［72］［73］最近，Yan课题组和本课题组分别提出管状结构，更进一步利用其作为三维DNA纳米反应平面的二维DNA折纸结构可作为模板，构建纳米级［73］器对受限空间内的酶联反应进行了探索。当相精确可寻址的人工多酶级联反应。两个小组均以葡同的GOx-HＲP体系定位在三维的DNA折纸术纳米萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧化氢酶(HＲP)双酶管反应器中时，由于管壁的空间阻碍与电荷屏蔽，它体系作为模型，研究了酶间距对总体反应效率的影的中间产物扩散必定会受到更多的限制。我们的实响。结果表明，DNA折纸上定位的酶联反应效率远验结果也确实证明了这一点。如图8所示，与二维高于溶液中的自由反应，证明了DNA折纸结构对反平面DNA折纸术相比，该酶联反应效率在纳米管中［72］应中间产物扩散的影响。Yan等同时发现，当两时更高，表明该限域环境非常有利于限制中间产物化学进展，2014，26(5):695～705·701· Ｒeview化学进展向外扩散，提高其有效浓度，从而提高反应效率。这5结论与展望一工作首次提出了DNA折纸结构模拟三维生物限域空间的新概念，并证明了其可行性，为未来推广到自Seeman教授提出DNA纳米技术概念以来，更多更复杂的酶级联反应体系、更精确的研究生化已经经历了长时间的DNA纳米结构演化研究，各种反应过程及仿生合成奠定了基础。形状、复杂度、尺寸、维度的DNA纳米结构层出不穷，对DNA构建的几何结构控制已经到了登峰造极的程度。因此，未来对DNA纳米技术的进一步发展，必将集中在如何使这些丰富多样、结构精细的DNA纳米结构物尽其用，充分发挥其独一无二的结构特点，解决其他技术难以解决的重要科学问［74］题。另一方面，人工化学合成虽经长久的发展，但与经过亿万年进化的生物合成相比，仍然具有不小的差距。究其原因，我们认为在于从空间和时间上缺乏对反应进程进行精确控制。目前，已有越来越多的科学家意识到受限空间对化学反应的重要［75，76］［77，78］性，并使用和构建了包括蛋白质或病毒衣［79］［80，81］［82，83］壳限域结构、聚合物囊泡、碳纳米管等［3］为基础的纳米反应器，发现它们非常有助于提升反应效率。然而，这些结构尽管具有纳米至微米尺度的限域环境，仍缺乏纳米级的空间分辨率。DNA折纸技术的出现，解决了长久以来困扰科学家的一个关键问题，即如何实现自下而上的纳米级精确寻址，为DNA折纸技术在其他领域的应用带来了光明的前景。因此，基于DNA折纸技术，构建具有纳米可寻址能力的纳米反应器，是受大自然启发获得的新灵感，也是结构和功能仿生概念的新发展。尽管这一研究领域刚刚起步，但现有的进展已充分证明它巨大的优势和潜力。展望未来，我们认为，基于DNA折纸结构这一研究单分子、单粒子尺度反应的优良平台，将有更多的研究方向值得关注。首先，这一平台对了解更多重要化学反应、生化反应的机理具有重大帮［84，85］助。例如最近大量的关注集中在纳米金粒子图8DNA折纸术二维平面上及三维纳米管中的GOx-［86，87］的单分子催化机制方面，而纳米金的定位是这［73］HＲP酶联反应。(a)GOx-HＲP酶联反应及在DNA折方面研究的关键，而这也是DNA折纸技术的优势。纸上的定位示意图;(b)在二维平面上的AFM照片;(c)其次，在更高维度内实现对更复杂反应的调控将是在三维纳米管中的AFM照片;(d)酶联反应效率对比Fig.8GOx-HＲPenzymaticcascadereactionsin2Dand今后研究的一个重点。如重要天然产物合成及手性3DDNAorigaminanoreactors［73］．(a)Schematic合成仍然是化学合成中的难点，已有文献报道基于［88］illustrationofthebienzymecascadeofGOxandHＲPon简单的DNA结构实现手性合成的成功例子，如rectangularDNAorigami;(b)AFMimageoftheenzyme果能够结合DNA折纸技术，在更高维度空间构建更cascadeonrectangularDNAorigami;(c)AFMimageofthe复杂定位的酶级联体系和人工化学反应体系，将很enzymecascadeinDNAnanotubes;(d)Kinetics有可能对这一研究带来帮助。此外，如果能够实现measurementsoftheenzymecascadesystems对复杂生物限域环境进行模拟，并使参与反应的物·702·ProgressinChemistry，2014，26(5):695～705 贾思思等:DNA折纸术纳米反应器综述与评论质与信号在纳米尺度可控机械传递，将进一步提升Nanoscale，2013，5:284．［89］［90］［15］ZhangH，ChaoJ，PanD，LiuH，HuangQ，FanC．Chem．对反应进程的调控能力。Seeman小组、Yan［91］［92］Commun．，2012，48:6405．小组和Turberfield小组等已经建立了一些在［16］LiuW，ZhongH，WangＲ，SeemanNC．Angew．Chem．Int．DNA折纸结构上的纳米传动体系，如果能与之结合Ed．，2011，50:264．必将有益于这一目标的实现。最后，我们希望能够［17］ZhaoZ，LiuY，YanH．NanoLett．，2011，11:2997．基于DNA折纸结构对化学、生化反应及物理相互作［18］FuY，ChaoJ，LiuH，FanC．Chin．Sci．Bull．，2013，58:用的调控，实现更具功能性的纳米器件。例如，由金2646．［93，94］［19］TorringT，VoigtNV，NangreaveJ，YanH，GothelfKV．属化反应构建纳米电路、基于表面等离子体共Chem．Soc．Ｒev．，2011，40:5636．［48～53］振性质实现对光的高级调控、基于分子间能量［20］王金业(WangJY)，宋晨(SongC)，徐景坤(XuJK)，丁宝［95］传递构建人工光捕获系统及纳米激光器、以及通全(DingBQ)．化学进展(ProgressinChemistry)，2012，10:［96］过化学信号传递实现分子计算等。总之，随着研1936．究的深入，我们希望最终能够基于DNA折纸术纳米［21］KananMW，ＲozenmanMM，SakuraiK，SnyderTM，LiuDＲ．Nature，2004，431:545．反应器，实现能量转换、物质转化与输送、信息传递［22］GothelfKV，ThomsenA，NielsenM，ClóE，BrownＲS．J．过程的协同控制，为更多技术的发展与进步提供有Am．Chem．Soc．，2004，126:1044．益的帮助。［23］XiaoY，KharitonovAB，PatolskyF，WeizmannY，WillnerI．Chem．Commun．，2003，1540．参考文献［24］HansenMH，BlakskjrP，PetersenLK，HansenTH，Hjfeldt［1］王镜岩(WangJY)，朱圣庚(ZhuSG)，徐长法(XuCF)．JW，GothelfKV，HansenNJV．J．Am．Chem．Soc．，2009，生物化学(Biochemistry)．北京:高等教育出版社(Beijing:131:1322．HigherEducationPress)，2002．［25］SteinhauerC，JungmannＲ，SobeyTL，SimmelFC，Tinnefeld［2］AgapakisCM，BoylePM，SilverPA．Nat．Chem．Biol．，P．Angew．Chem．Int．Ed．，2009，48:8870．2012，8:527．［26］SchmiedJJ，ForthmannC，PibiriE，LalkensB，NickelsP，［3］VriezemaDM，ComellasAragonèsM，ElemansJAAW，LiedlT，TinnefeldP．NanoLett．，2013，13:781．CornelissenJJLM，ＲowanAE，NolteＲJM．Chem．Ｒev．，［27］SteinIH，SteinhauerC，TinnefeldP．J．Am．Chem．Soc．，2005，105:1445．2011，133:4193．［4］SeemanNC．J．Theor．Biol．，1982，99:237．［28］DuttaPK，VargheseＲ，NangreaveJ，LinS，YanH，LiuY．J．［5］SeemanNC．Nature，2003，421:427．Am．Chem．Soc．，2011，133:11985．［6］樊春海(FanCH)，刘冬生(LiuDS)．DNA纳米技术(DNA［29］LinC，JungmannＲ，LeiferAM，LiC，LevnerD，ChurchGM，Nanotechnology)．北京:科学出版社(Beijing:SciencePress)，ShihWM，YinP．Nat．Chem．，2012，4:832．2011．［30］WuN，CzajkowskyDM，ZhangJ，QuJ，YeM，ZengD，Zhou［7］杨洋(YangY)，柳华杰(LiuHJ)，刘冬生(LiuDS)．化学X，HuJ，ShaoZ，LiB，FanC．J．Am．Chem．Soc．，2013，进展(ProgressinChemistry)，2008，20:197．135:12172．［8］ＲothemundPWK．Nature，2006，440:297．［31］KuzykA，KimmoTL，PiviT．Nanotechnology，2009，20:［9］钱璐璐(QianLL)，汪颖(WangY)，张钊(ZhangZ)，赵健235305．(ZhaoJ)，潘敦(PanD)，张益(ZhangY)，刘强(LiuQ)，樊［32］KuzuyaA，KimuraM，NumajiriK，KoshiN，OhnishiT，Okada春海(FanCH)，胡钧(HuJ)，贺林(HeL)．科学通报F，KomiyamaM．ChemBioChem，2009，10:1811．(ChineseScienceBulletin)，2006，51:2973．［33］SaccàB，MeyerＲ，ErkelenzM，KikoK，ArndtA，Schroeder［10］AndersenES，DongM，NielsenMM，JahnK，Lind-ThomsenH，ＲabeKS，NiemeyerCM．Angew．Chem．Int．Ed．，2010，A，MamdouhW，GothelfKV，BesenbacherF，KjemsJ．ACS49:9378．Nano，2008，2:1213．［34］ShenW，ZhongH，NeffD，NortonML．J．Am．Chem．Soc．，［11］AndersenES，DongM，NielsenMM，JahnK，SubramaniＲ，2009，131:6660．MamdouhW，GolasMM，SanderB，StarkH，OliveiraCLP，［35］NakataE，LiewFF，UwatokoC，KiyonakaS，MoriY，KatsudaPedersenJS，BirkedalV，BesenbacherF，GothelfKV，KjemsY，EndoM，SugiyamaH，MoriiT．Angew．Chem．Int．Ed．，J．Nature，2009，459:73．2012，51:2421．［12］DouglasSM，DietzH，LiedlT，HogbergB，GrafF，ShihWM．［36］StearnsLA，ChhabraＲ，SharmaJ，LiuY，PetuskeyWT，YanNature，2009，459:414．H，ChaputJC．Angew．Chem．Int．Ed．，2009，48:8494．［13］HanD，PalS，NangreaveJ，DengZ，LiuY，YanH．Science，［37］StephanopoulosN，LiuM，TongGJ，LiZ，LiuY，YanH，2011，332:342．FrancisMB．NanoLett．，2010，10:2714．［14］SaidH，SchullerVJ，EberFJ，WegeC，LiedlT，ＲichertC．［38］JahnK，TrringT，VoigtNV，SrensenＲS，KodalALB，化学进展，2014，26(5):695～705·703· Ｒeview化学进展AndersenES，GothelfKV，KjemsJ．Bioconjugate．Chem．，KV．J．Am．Chem．Soc．，2010，132:18054．2011，22:819．［62］Lopez-GallegoF，Schmidt-DannertC．Curr．Opin．Chem．［39］SrensenＲS，OkholmAH，SchaffertD，KodalALB，GothelfBiol．，2010，14:174．KV，KjemsJ．ACSNano，2013，7:8098．［63］MüllerJ，NiemeyerCM．Biochem．Biophys．Ｒes．Commun．，［40］Luk"yanchukB，ZheludevNI，MaierSA，HalasNJ，2008，377:62．NordlanderP，GiessenH，ChongCT．Nat．Mater．，2010，9:［64］WilnerOI，WeizmannY，GillＲ，LioubashevskiO，Freeman707．Ｒ，WillnerI．Nat．Nanotechnol．，2009，4:249．［41］MayerKM，HafnerJH．Chem．Ｒev．，2011，111:3828．［65］LiuY，DuJ，YanM，LauMY，HuJ，HanH，YangOO，［42］SharmaJ，ChhabraＲ，AndersenCS，GothelfKV，YanH，LiuLiangS，WeiW，WangH，LiJ，ZhuX，ShiL，ChenW，JiC，Y．J．Am．Chem．Soc．，2008，130:7820．LuY．Nat．Nanotechnol．，2013，8:187．［43］DingB，DengZ，YanH，CabriniS，ZuckermannＲN，BokorJ．［66］XinL，ZhouC，YangZ，LiuD．Small，2013，9:3088．J．Am．Chem．Soc．，2010，132:3248．［67］KeY，NangreaveJ，YanH，LindsayS，LiuY．Chem．［44］PalS，DengZ，DingB，YanH，LiuY．Angew．Chem．Int．Commun．，2008，5622．Ed．，2010，49:2700．［68］KeY，LindsayS，ChangY，LiuY，YanH．Science，2008，［45］PalS，DengZ，WangH，ZouS，LiuY，YanH．J．Am．Chem．319:180．Soc．，2011，133:17606．［69］ZhangZ，WangY，FanC，LiC，LiY，QianL，FuY，ShiY，［46］ChenZ，LanX，WangQ．Small，2013，9:3567．HuJ，HeL．Adv．Mater．，2010，22:2672．［47］PalS，DuttaP，WangH，DengZ，ZouS，YanH，LiuY．J．［70］ＲinkerS，KeY，LiuY，ChhabraＲ，YanH．Nat．Phys．Chem．C，2013，117:12735．Nanotechnol．，2008，3:418．［48］KuzykA，SchreiberＲ，FanZ，PardatscherG，ＲollerEM，［71］LeeH，DeLoacheWC，DueberJE．MeTab．Eng．，2012，14:HogeleA，SimmelFC，GovorovAO，LiedlT．Nature，2012，242．483:311．［72］FuJ，LiuM，LiuY，WoodburyNW，YanH．J．Am．Chem．［49］ShenX，SongC，WangJ，ShiD，WangZ，LiuN，DingB．J．Soc．，2012，134:5516．Am．Chem．Soc．，2011，134:146．［73］FuY，ZengD，ChaoJ，JinY，ZhangZ，LiuH，LiD，MaH，［50］ShenX，Asenjo-GarciaA，LiuQ，JiangQ，GarcíadeAbajoFHuangQ，GothelfKV，FanC．J．Am．Chem．Soc．，2012，J，LiuN，DingB．NanoLett．，2013，13:2128．135:696．［51］LanX，ChenZ，DaiG，LuX，NiW，WangQ．J．Am．Chem．［74］PinheiroAV，HanD，ShihWM，YanH．Nat．Nanotechnol．，Soc．，2013，135:11441．2011，6:763．［52］AcunaGP，MllerFM，HolzmeisterP，BeaterS，LalkensB，［75］ChenAH，SilverPA．TrendsCellBiol．，2012，22:662．TinnefeldP．Science，2012，338:506．［76］LiZ，ChengE，HuangW，ZhangT，YangZ，LiuD，TangZ．［53］KleinWP，SchmidtCN，ＲappB，TakabayashiS，KnowltonWJ．Am．Chem．Soc．，2011，133:15284．B，LeeJ，YurkeB，HughesWL，GraugnardE，KuangW．［77］AbeS，NiemeyerJ，AbeM，TakezawaY，UenoT，HikageT，NanoLett．，2013，13:3850．ErkerG，WatanabeY．J．Am．Chem．Soc．，2008，130:［54］BuiH，OnoderaC，KidwellC，TanY，GraugnardE，KuangW，10512．LeeJ，KnowltonWB，YurkeB，HughesWL．NanoLett．，［78］AbeS，HirataK，UenoT，MorinoK，ShimizuN，YamamotoM，2010，10:3367．TakataM，YashimaE，WatanabeY．J．Am．Chem．Soc．，［55］WangＲ，NuckollsC，WindSJ．Angew．Chem．Int．Ed．，2009，131:6958．2012，51:11325．［79］ArsuagaJ，VázquezM，TriguerosS，SumnersDW，ＲocaJ．［56］MauneHT，HanSP，BarishＲD，BockrathM，GoddardIIA，Proc．Natl．Acad．Sci．U．S．A．，2002，99:5373．ＲothemundPWK，WinfreeE．Nat．Nanotechnol．，2010，5:［80］HeQ，CuiY，LiJ．Chem．Soc．Ｒev．，2009，38:2292．61．［81］YanX，ZhuP，LiJ．Chem．Soc．Ｒev．，2010，39:1877．［57］VoigtNV，TorringT，ＲotaruA，JacobsenMF，ＲavnsbaekJB，［82］ZhangF，PanX，HuY，YuL，ChenX，JiangP，ZhangH，SubramaniＲ，MamdouhW，KjemsJ，MokhirA，BesenbacherDengS，ZhangJ，BolinTB，ZhangS，HuangY，BaoX．Proc．F，GothelfKV．Nat．Nanotechnol．，2010，5:200．Natl．Acad．Sci．U．S．A．，2013，110:14861．［58］HelmigS，ＲotaruA，ArianD，KovbasyukL，ArnbjergJ，Ogilby［83］PanX，FanZ，ChenW，DingY，LuoH，BaoX．Nat．Mater．，PＲ，KjemsJ，MokhirA，BesenbacherF，GothelfKV．ACS2007，6:507．Nano，2010，4:7475．［84］EndoM，KatsudaY，HidakaK，SugiyamaH．J．Am．Chem．［59］KellerA，BaldI，ＲotaruA，CautE，GothelfKV，Soc．，2010，132:1592．BesenbacherF．ACSNano，2012，6:4392．［85］ＲajendranA，EndoM，HidakaK，SugiyamaH．J．Am．Chem．［60］BusuttilK，ＲotaruA，DongM，BesenbacherF，GothelfKV．Soc．，2012，135:1117．Chem．Commun．，2013，49:1927．［86］NovoC，FunstonAM，MulvaneyP．Nat．Nanotechnol．，2008，［61］LiuH，TrringT，DongM，ＲosenCB，BesenbacherF，Gothelf3:598．·704·ProgressinChemistry，2014，26(5):695～705 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