实验室和计算机中的纳米笼：基于DNA的树枝状大分子如何运输纳米粒子

如何创建纳米笼，即具有规则空隙和可调属性的稳健且稳定的物体?DNA分子的短片段是新型复杂结构可控设计的完美候选者。来自维也纳大学，维也纳技术大学，德国Jülich研究中心和美国康奈尔大学的物理学家研究了在实验室中合成基于DNA的树枝状大分子的方法，并使用详细的计算机模拟预测它们的行为。他们的研究结果发表在高影响力的纳米尺度期刊上。

从基础科学和可能的应用的角度来看，纳米笼子是非常有趣的分子构建体。这些纳米尺寸物体的空腔可以用作较小分子的载体，这在用于生物体中的药物或基因递送的医学中是至关重要的。这个想法汇集了来自不同跨学科领域的研究人员，他们一直在研究树枝状大分子作为创造这种纳米载体的有希望的候选者。它们的树状结构和逐步增长与重复的自相似单元导致树枝状大分子包含空腔，空心物体具有可控设计。尽管如此，数十年的研究表明，随着树枝状聚体的生长，大量不同的树枝状聚合物类型经历了外部树枝的向后折叠，在分子内部产生更高密度的成分。在溶液中加入盐后，反向折叠的效果得到增强，由此柔性树枝状聚合物经历显着的收缩，变成紧凑的物体，其内部没有空腔。

合作者团队由NatašaAdžić和Christos Likos(维也纳大学)，Clemens Jochum和Gerhard Kahl(维也纳大学)，Emmanuel Stiakakis(Jülich)以及Thomas Derrien和Dan Luo(康奈尔)组成。研究人员找到了一种方法来创造足够刚性的树枝状大分子，即使在高分枝世代的情况下也能防止外臂向后折叠，从而保持其内部的常规空隙。此外，它们的新型大分子的特征在于对添加的盐的显着抗性：它们表明即使在高浓度下即使加入盐也不会影响这些体系的形态和构象特征。他们在实验室中创建并在计算上研究的纳米笼是基于DNA的树枝状大分子，或所谓的树枝状聚合物样DNA(DL-DNA)。它们构成的构件是Y形双链DNA单元，由双链DNA(ds-DNA)组成的三臂结构，通过三条单链DNA链(ss-DNA)的杂交形成，每个都与其他两个序列具有部分互补的序列。每个臂由13个碱基对和一个单链粘性末端组成，其中有四个核碱基作为胶水。虽然单个Y-DNA对应于第一个树枝状聚合物生成，但是其他Y-DNA元件的附着产生更高代的DL-DNA。得到的树枝状大分子是带有树状结构的带电和空心的大分子组装体。由于dsDNA的刚性，DL-DNA的分支是僵硬的，因此整个分子是刚性的。由于DNA带电，静电排斥增强了分子的刚性。

Jülich和Cornell合作伙伴在实验室中组装了DL-DNA分子，通过可编程的粘端内聚力实现卓越的控制和亚纳米精度。它们的逐步增长是高度可控的，单向的和不可逆的。该性质是非常重要的，因为已经表明基于DNA的树枝状大分子已经被设想在开发纳米级条形码，基于DNA的疫苗技术以及涉及多重分子感测过程的结构探针中发挥有希望的作用。通过维也纳的计算机模拟分析了实验者看不到的尺寸，形状以及额外的构象细节，例如空隙的大小和背向折叠的分支程度。为了描述DNA单元的复杂结构，该小组使用一个简单的单体分解模型，其中精心选择的相互作用模拟生理溶液中DNA的平衡特性。在树枝状聚合物特征的实验和模拟之间获得的极好协议验证了所采用的理论模型，并为进一步研究纳米笼的性质及其作为功能性和智能纳米载体的应用以及作为工程生物相容性人造材料的构建块铺平了道路。