小环DNA构建手性分子瓦及调控B-Z构象的DNA纳米结构

The life secret of how DNA molecules regulate their primary, secondary, and tertiary structures to be involved in the duplication, transcription, homologous recombination, and DNA repair is diligently sought by scientists. DNA nanotechnology provides a useful way to construct stable DNA tiles and further to DNA nanostructures in the size scale of 10 to 10000 nanometers which can be imaged and monitored easily by modern microscopy technologies. Scientists can understand the secondary and tertiary DNA structures deeply according to whether an artificial DNA nanostructure can be constructed successfully or not. We pioneered the research on using small circular DNA molecules for DNA nanotechnology and primarily succeeded in constructing B-Z racemic DNA nanostructures. This discovery opens our vision on the Holliday Junction structures. In this project, we will construct more new types of stable DNA tiles, nanostructures, and carry out their dynamic modifications. Especially, we will focus on constructing 3D DNA nanostructures with B-Z convertible transformation. With the customer-designed modification mode, we will enhance collaboration with other scientists to investigate the biomedical application of small circular DNA nanotechnology.

生命体系中稳定的遗传物质DNA分子如何调控其分子结构而进行复制、转录、同源重组、和DNA修复等生命活动一直是科学家们孜孜以求的生命奥秘，DNA纳米技术提供了构建DNA分子瓦的思路和有序装配DNA分子瓦形成现代显微技术容易测控的10至10000纳米尺度的纳米结构，DNA纳米技术让科学家构建人造纳米结构从分子层次来详细地认识和了解DNA的二级和三级结构。我们创新性地使用小环DNA分子制备稳定手性分子瓦并由此构筑显微技术可控的一维、二维、和三维纳米结构，初步构建了可动态调控B-Z构象的人造DNA纳米结构，拓展了对"霍利迪结"（Holliday Junction）结构的理解和认识。该培育项目将构建新型小环DNA分子瓦、多种纳米结构、及其动态化学修饰，尤其聚焦可动态调控B-Z构象的DNA三维纳米结构的深入研究，并加强合作，按需修饰DNA纳米结构，探讨小环DNA纳米技术在生物医学领域的应用。

DNA纳米自组装技术是利用DNA分子按照Watson和Crick碱基配对原则进行穿插而构建的一维（1D）、二维（2D）、和三维（3D）的分子瓦基元结构及其组装的纳米结构，分子瓦通过悬臂粘性末端的氢键配对、或平末端的π-π堆积构建可操控的纳米结构或器件，其在药物递送、生物传感和成像、基因调控、生物大分子纳米机器、DNA存储和运算、DNA力学、及DNA纳米结构为模板构建微纳电子结构等领域的应用是近年来备受关注的高新技术。DNA纳米技术主要使用线性DNA为基本原料，我们原始创新地使用小环DNA（如64、84、96、106、和128 nt（nt代表单个碱基））为支架设计和构建了多种新的基元结构、并组装了1D、2D、和3D的纳米结构，使用二进制0和1进行编码透彻理解了一个以64 nt小环DNA为支架构筑非常稳定的3D多层X-模块堆砌的基元结构及依靠π-π堆积力组装的纳米结构，发明了我们自己命名的ivisomer (intermediate vector induced stereoisomer，过渡态向量诱导的立体异构体)的异构体，也构建了B和Z-型DNA共存的基元和纳米结构；小环DNA纳米结构的优点是稳定性高、韧性强、产率高、降解难、修饰易等。分子瓦基元可通过立体互作的碱基π-π堆积和粘性末端互补进行可逆组装/解组装，该特点给小环DNA纳米结构在人类、动植物、及微生物等生命体系里的各种生物调控及应用提供了可行性；对小环DNA纳米结构的进一步研究将拓展我们在拓扑学、DNA纳米结构的对称性、DNA存储和逻辑运算、染色体和其它分子纳米机器构造术等领域的新视野。