纳米生物界面上DNA的生长、折叠与生物大分子负载

Stability and high molecular loading are the key scientific issues for the nanobio-structures when they are applied in biological systems. Here a new 3D nanobio-composite structure will be developed via the nano-rolling circle amplification and DNA origami. Different biological molecules (signal molecules or drug molecules) then can be loaded on the 3D nanobio structure after DNA growth and origami at the nanobio-interface. Also, the performance of the nanobio structures will be tested in a designed complicated biological system. The project will be focused on key points of constructing 3D nanobio structures, the analysis of thermodynamic and kinetic properties in the constructing process. This study will provide not only new signal and drug carriers for cancer diagnosis at the cellular level but also basic structures and technical tools for the exploration of the occurrence and development and cancer diseases.

纳米生物结构的稳定性及负载的高效性是其在生物体系中实现应用的关键科学问题。本项目拟结合纳米滚环扩增技术和DNA折纸术，实现DNA在纳米生物界面上的生长与折叠，构建三维的纳米生物复合结构，并进一步实现不同生物分子（信号分子或药物分子）在该结构上的负载，鉴定其在复杂生物体系（如细胞）中的性能。重点研究这一三维纳米生物结构形成所涉及的关键要素，并分析结构构建中的热力学和动力学性质。该项目的研究成果有望为细胞水平上的癌症诊治提供新型的信号及药物载体，为研究癌症的发生和发展等生命科学问题提供有力的结构基础和技术依据。

本项目研究了如何通过DNA滚环扩增技术（RCA）构建DNA 纳米3D 支架。将引物DNA 组装在纳米金表面，加入滚环扩增试剂后，引物会以环DNA 作为扩增模板进行扩增。产物与三条订书机链混合后进行折纸，纳米金表面的长单链DNA（扩增产物）会形成特定的DNA 纳米结构。通过用AFM 成像及软件分析，我们得到的DNA 纳米结构刚性较好、宽度为16nm 左右，长度可达到几百纳米甚至可达微米级。进而同过多种工具对该3D超级复合结构进行了表征并详细研究了该结构形成的各种优化条件。并在此基础上实现了多种生物分子在该结构上的负载和功能化，展示出其在细胞成像和细胞内药物输送的优越性能。这一纳米生物复合结构兼具无机纳米材料的刚性和生物材料的柔性，有望为细胞水平上的癌症诊治提供新型的信号分子和药物载体。