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DNA作为一种天然的生物大分子,在构建纳米材料方面具有独特的优势:(1)自下而上(bottom-up)的自组装模式;(2)DNA可组装成周期排列结构;(3)周期排列结构可被预测化及程序化设计。因此,利用DNA制备纳米结构是一项非常有意义的研究。基于DNA自组装技术,利用DNA构建纳米材料的建筑模块,通过模块间黏性末端的互补配对作用,组装形成不同的纳米结构。本文以Seeman教授设计的DX分子瓦(DNATile)为纳米结构的建筑模块制备DNA二维晶体结构。对DX分子瓦改进,实现其他晶体结构的制备,同时探讨了不同因素对晶体结构形貌的影响。
首先选择DX分子瓦作为构建纳米材料的建筑模块,采用DNA自组装技术制备出DNA二维晶体结构,同时探讨了DNA浓度以及退火时间对DX分子瓦及二维晶体的影响,对制备得到的DX分子瓦采用6%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(native-PAGE)进行表征,结果表明在DNA浓度为1μmol/L时,退火时间越短组装的DX分子瓦的结构越稳定,同时也发现电泳条带大部分都在正确的位置,所以DX分子瓦的退火时间不会影响后续二维晶体的制备。对所得到的DNA二维晶体结构采用原子力显微镜(AFM)表征,结果表明不同的起始退火温度会对二维晶体的形成造成影响:起始退火温度为37℃时,可得到片状的二维晶体结构;起始退火温度为50℃和25℃时,二维晶体结构呈现缠绕状。对这种影响做了分析,探讨了组装二维晶体结构的最优退火条件。对DX分子瓦在260nm处进行紫外吸光度测定,发现DX分子瓦在260nm处的吸光度值减小,而在小于240nm处的吸光度显著增加。
其次通过对组成DX分子瓦的寡核苷酸链长度进行修改,得到六种不同的DX分子瓦:2A,2B,5A,5B,10A,10B。这些分子瓦的黏性末端通过碱基互补配对原则连接形成晶体结构2AB,5AB,10AB。探讨不同因素,包括DNA浓度、退火时间、镁离子浓度对分子瓦以及晶体结构的影响。对分子瓦结构采用6%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳表征发现:DNA浓度越小,分子瓦的结构越稳定;而镁离子浓度、退火时长对分子瓦的影响则不是很明显。对得到的晶体结构采用原子力显微镜表征发现2AB、5AB结构呈线状,但容易相互缠绕。Mg2+浓度越大,5AB晶体的延展性就越差。而10AB的结构在原子力显微镜下会呈现两种不同的形态。同时也发现2AB晶体结构在原子力显微镜下容易发生坍塌。同时本文还采用一锅法(one-pot)制备了DNA晶体。对所得的结构进行表征发现采用一锅法制备的样品可以在原子力显微镜下观察到晶体结构,但结构容易发生缠绕堆叠,证明一锅法制备的样品结构不稳定。
最后在10A,10B分子瓦上分别修饰Cy3、Cy5荧光分子,通过荧光显微镜对制备的10AB晶体结构进行表征,结果表明有大量呈红色荧光的片状物质存在,这与原子力显微镜表征结果相符。基于荧光共振能量转移效应(FRET),采用550nm的激发光通过荧光酶标仪对FRET效应进行验证发现在660nm处会出现峰值,证明FRET效应可以发生,但荧光峰值较小,这可能是因为DNA浓度较小。