POSS基DNA分子纳米粒子的精准合成、自组装及生物成像研究

Precise synthesis and bottom-up hierarchical assembly of DNA functional building blocks is one of the hottest topics in material chemistry and DNA nanotechnology. Here we propose a new approach to synthesize atomically precise and highly tunable DNA functionalized hybrid nanomolecules with atomically-defined structure. This nanomolecule is based on a class of POSS nanoparticle core with precise structure and specific functionality, with which DNA modification is precisely introduced as the branching chain for controllable assembly and functionality. Further exploring their bottom-up hierarchical assembly would lead to various applications, for example, for cellular imaging. Specifically, we can arbitrarily synthesize a variety of nanomolecules with different properties, such as hydrophilicity/hydrophobicity and functionality, by introducing DNA segments with different lengths and functions at the corner positons of T8-POSS. Such internal structure composition and asymmetry properties, as well as the external incubate conditions and complementary strands, would play important roles in further self-assembly behavior, and these parameters, in turn, would provide important insights for hierarchical self-assembled structures. The facile fluorescent probe loading methods, programmable assembly performances and excellent biocompatibility of those DNA modified POSS nanoparticles encourage us to further explore their application in cellular imaging area. Ultimately, this nanomolecular strategy allows the design and rapid generation of precise DNA nanomolecular building blocks and programmable molecular assemblies to investigate their applications on biomaterial and bio-imaging.

精准制备和组装多级有序的DNA纳米基元是材料化学和DNA纳米技术的重要课题。本项目基于具有确定纳米尺寸和化学组成的POSS分子，精准合成分子量明确的POSS基DNA功能化纳米粒子基元。从结构与功能设计的角度出发，通过在POSS顶角位置引入具有不同长度和功能性的DNA链段，点击合成一系列结构和功能可调的目标基元分子。进一步研究它们的自组装行为，重点考察分子组成、对称性等内部因素和互补链、温度等外部因素的影响，探索分子结构、组装条件与可控多级自组装之间的构效关系。在此基础上，利用其便利的荧光探针负载方式，结合其良好的纳米尺寸效应与生物相容性等特性，开展细胞成像方面的应用研究。本项目为新型DNA纳米组装基元的设计和生命功能组装体系的可控构建提供了一种新的思路，同时也将拓展DNA纳米材料在生物成像领域中的应用。

在本项目的研究工作中，申请人基于功能分子纳米粒子和DNA链段的点击合成策略，实现了DNA分子纳米粒子的精准合成及进一步超分子自组装，获得结构清晰和功能可控的DNA分子纳米基元，并进一步将其应用于药物负载、细胞成像和生物传感分析中，对于DNA纳米技术的研究和应用具有良好的意义和价值。.（1）DNA纳米技术（DNA nanotechnology）是一种人为设计并产生有用的核酸结构的技术。广泛用于可编程的DNA组装、传感、成像和治疗。研究者基于分子纳米粒子（POSS和环糊精等），采用可控高效的点击化学合成手段，可以精准、可控的将DNA功能序列固载到上面，构筑结构精准可控的DNA分子纳米粒子。新型DNA纳米组装基元，结构清晰，分子量明确，功能可控，有望进一步实现相关功能组装体系的可控构建。.（2）以环糊精为核心的DNA分子纳米粒子与金刚烷修饰的DNA分子进一步组装，形成1：1的DNA超分子分子纳米粒子，将多种功能结合起来，可应用于DNA反义核酸药物设计、细胞成像、生物传感等领域。研究者进一步考察了它们的自组装行为，重点考察分子组成、对称性等内部因素和互补链、温度等外部因素的影响，探索分子结构、组装条件与可控多级自组装之间的构效关系。在此基础上，利用其便利的荧光探针负载方式，结合其良好的纳米尺寸效应与生物相容性等特性，开展了细胞成像、药物负载等方面的应用研究。.（3）功能核酸型电化学生物传感器采用核酸分子作为识别结合基元，根据靶标结合带来的结构变化和电子传导信号变化，实现对于小分子、核酸、蛋白等靶标物的定量化检测。由于电极的微观表面不均一，差异性大，造成表面组装的探针数量和靶标结合能力不均一，且由于探针的降解，功能核酸型电化学生物传感器面临稳定性等问题。研究者通过小分子自组装修饰技术，在金电极表面构建了一层金刚烷自组装层，借助金刚烷和环糊精-DNA分子纳米粒子的超分子作用功能，在电极表面构建了均匀、致密的DNA传感探针功能层，形成稳定性能好的 E-DNA生物传感器。实现了在复杂环境中，实现对于靶标分子的高灵敏、高特异性的识别。