CN101541961A - Dna指导的纳米颗粒组装体 - Google Patents

Abstract

在一些实施方式中，使用DNA－帽化纳米颗粒以限定其组装体中的晶序程度。在一些实施方式中，形成了热力学可逆且稳定的体心立方体(bcc)结构，其中颗粒占据＜～10％的晶胞。鉴定了适于颗粒组装体结晶的设计和途径。在一些实施方式中，提供了一种电浆晶粒。在一些方面，提供了一种用于控制颗粒装配体性能的方法。在一些实施方式中，从由核酸序列连接的纳米颗粒形成催化剂且形成开放式晶体结构，其中催化活性试剂附着于其表面上或间隙中的晶粒上。

Description

DNA指导的纳米颗粒组装体

相关申请

本申请要求于2006年10月4日提交的美国临时专利申请序列号60/849,451的优先权。本申请还要求于2007年8月23日提交的美国临时专利申请序列号60/957,543的优先权。这些申请中每一个的全部内容均通过引用结合于本文中。

本发明由美国能源部资助，以合同号DE-AC02-98CH10886在政府支持下开展。政府具有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及DNA指导的颗粒组装体(assembly)领域，更具体地，涉及DNA指导的颗粒组装体的三维结构化。

背景技术

调节DNA基纳米系统的动力学性能的能力对于正形成的纳米颗粒在感应、纳米装置组装和基因递送方面的应用是必需的。DNA基方法学利用DNA帽化纳米材料之间的可调节且可程序化杂合。该方法已经开发了基于组装的纳米颗粒光学和物理性质的灵敏检测系统，以及基于其新熔化/分解性质的检测。

目前，金属(金、银、铂)、半导体(CdSe、CdTe、CdSeZnS)和磁性(Fe₂O₃、FePt)纳米颗粒的自组装分为两类：有机溶剂基系统和水溶液基系统。每一类系统均具有其优点和缺点。在有机溶剂系统中，纳米颗粒用致密疏水配体外壳(烷基硫醇单层、聚合物、多齿配体)包封。这类纳米颗粒的优点在于该领域较为成熟，颗粒非常稳定，而且已经证实了多种用于表面上纳米颗粒逐层组装的组装途径或者溶液中的受控聚集。这类(纳米颗粒)的缺点在于纳米颗粒表面缺少可寻址化学性质(addressable chemistry)、苛刻的有机溶剂环境(甲苯、己烷等)以及缺少可调节的组装后结构化。

相反，虽然水基纳米颗粒系统的使用还不成熟，但是它可以提供优于有机溶剂系统的优点。首先，它不涉及溶剂相关的环境问题，其次，这种系统适于利用生物学活性或生物学模拟表面包封对纳米颗粒进行功能化。例如，自然界自组装DNA、蛋白质、脂质和多种组分延伸架构的能力是人类的合成能力所无法比拟的。

超材料(metamaterial)是一类有序的纳米复合物，其表现出自然界中不易观察到的独特性能。为了在光学、磁学和医药领域中获益于其应用，需要从单个纳米颗粒形成三维结构。目前的方法，包括刻蚀和传统的自组装方法，都受限于其制备具有可控顺序和颗粒间距离的三维结构的能力。

三维纳米构件(nano-object)的精确定位和有序组织是形成功能装置和新型磁性、电浆和光子超材料的关键，也是一个具有挑战性且正在积极发展的纳米科学前沿。由于几何因素、电荷以及偶极子和空间相互作用的微妙相互影响，已经观察到未帽化纳米颗粒二元混合物的各种自组装有序相。由于颗粒间距离和装配体(assemblage)结构的可调节性，人们认识到一种使用生物分子来指导纳米颗粒组装的可替换方法是有利的。另外，生物相互作用的可寻址性可以允许合理形成多组分系统，而生物分子构象的丰富能量概貌则提供了动力学可重构系统的可行性。这些性能中部分已经通过所设计的蛋白质和DNA支架(其已被用来在一维和二维中定位纳米构件)得到证实。DNA功能化微构件(micro-object)和纳米构件的性能及其三维组装体已经成为广泛光学、结构和理论研究的课题。然而，借助于可寻址生物学相互作用的长程三维(3D)有序仍然有待于阐释。

发明内容

由于这些核酸功能化的系统适于进行更复杂的检测以及越发复杂的自下而上进行构建，因此一种用于调节其组装动力学的方案将是有益的。另外，利用相对较少的合成工作量来加工这样的装配体的能力以及在环境友好条件下(即水溶液)下开展实验的能力，对于该领域将是非常有益的。

认识到控制组装动力学的需求以及通过生物学相互作用形成具有长程三维有序的超材料(所谓的“生物激励(bio-inspired)”超材料)的需求，因此本发明的某些实施方式提供了这样的材料以及用于产生它们的方法。

在一些实施方式中，本发明提供了一种用部分互补的DNA序列功能化且具有长程有序性的两种类型颗粒的装配体。这些颗粒可以是纳米构件、微构件或其他形式的颗粒。在一些实施方式中，功能化颗粒基本上不相互作用，且通过独立DNA(具有与两种类型颗粒的DNA序列中的每一个互补的连接区)序列加以连接。在一些实施方式中，颗粒是尺寸约0.1nm至约100nm的纳米颗粒。在一些实施方式中，颗粒是尺寸约0.1μm至约100μm的微粒。一些实施方式描述了用于制备这样的组装体的方法。

在一些实施方式中，两种类型的颗粒通过它们的功能化DNA相互作用而形成装配体。在一些实施方式中，三种或更多种类型的颗粒形成装配体的一部分。在一些实施方式中，这些装配体是无定形(非晶形)的。在一些实施方式中，这些装配体表现为长程晶序。一些具体实例可以既包括晶体又包括无定形区域。

在一些实施方式中，颗粒装配体的性能通过选择DNA序列中互补和非互补节段的长度加以控制。在一些实施方式中，规定互补和非互补或“中性”DNA的比率以控制该装配体的某些性能。在一些实施方式中，受控的性能可以是装配体的熔化温度、装配体中颗粒之间的距离、装配体的结晶度、晶体结构等。

一些实施方式提供了一种制备具有长程晶序的超材料的方法，其中使用至少两种类型的DNA帽化颗粒，其沿各个DNA序列的相互互补节段连接而沿该DNA序列的非互补中性节段则未连接。在一些实施方式中，由包含两种或更多种类型的颗粒(材料相同或不同)的超材料形成一种电浆晶粒，所述颗粒通过帽化这些颗粒的DNA的相互互补节段沿连接区而连接，而沿该DNA的中性节段区则未连接)。

通过本文所述方法制备的超材料的一些实施方式提供了非常开放的晶体结构，其中功能化颗粒占该晶体体积的约10％以下。在一些实施方式中，这些开放式结构用作催化剂或用作催化剂的底物(或支持体，substrate)。

应当理解，在本申请的上下文中，“中性(neutral)”是指DNA序列的非相互作用性质而不是指电荷分布。

还应当理解，前述概括内容是本发明一些方面必要的简要描述，这可以参考附图和下文的详细描述得到更好的理解。

附图说明

图1A和1B示出了DNA介导的纳米颗粒组装的草图。

图2A和2B示出了DNA诱导的具有互补单链(ss)DNA帽化的纳米颗粒自组装的剖面示意图。

图3A、3B和3C示出了杂合前和杂合后具有互补和非互补ssDNA帽化的纳米颗粒之间组装的剖面示意图。

图4A、4B、4C和4D代表装配体的典型紫外-可见光谱(UV-Vis)、投射电子显微镜(TEM)和动态光散射(DLS)结果在不同时间的演变，以及由其得到的动力学曲线。

图5A、5B、5C和5D示出了包含85％和95％中性DNA的装配体的动力学图谱、DLS结果和TEM照片。

图6是在纳米颗粒之间DNA键接的结构示意图。

图7示出了退火前和退火后系统在T_pm的小角X射线散射(SAXS)图案。

图8示出了对图7所示散射图案提取的结构因子S(q)。

图9示出了系统IV的SAXS照片和提取的结构因子S(q)，其中一个示意图阐释了其跨越装配体熔点通过加热-冷却循环时的结构变化。

图10示出了对结晶系统IV的结构测定。

图11包含一组代表性的DNA帽化金纳米颗粒的TEM照片和统计学分析。

图12包含晶体形成后从系统IV收集的一组代表性扫描电子显微镜(SEM)照片。

图13包含晶体形成后从系统IV收集的一组代表性TEM照片。

图14示出了处于退火前和结晶状态的系统IV聚集体的一组熔化曲线。

图15示出了对应于图14的一阶导数曲线。

图16示出了系统IV在71℃时的散射强度。

图17示出了在DNA/Au纳米颗粒杂合系统中形成的开放式bcc晶格。

图18示出了Sys-L30在加热期间的示意图和代表性温度依赖性二维(2D)SAXS图案以及各个提取结构因子S(q)。

图19A示出了Sys-L30在冷却期间的温度依赖性SAXS图案。

图19B示出了冷却期间最近的温度依赖性相邻距离。

图19C是Sys-L30晶体在空气中干燥之后的SEM照片。

图20A是ssDNA-AuNP的代表性TEM照片。

图20B提供了未帽化AuNP、ssDNA-AuNP-A和ssDNA-AuNP-B的DLS结果。

图21提供了Sys-L70在加热期间的代表性温度依赖性2DSAXS图案。

具体实施方式

纳米颗粒自组装成具有长程有序的结构依赖于对颗粒间势能的形式及其粒径范围的控制以及对组装动力学的控制。使用DNA来介导纳米颗粒组装可以实现对这些参数的定性调整。DNA杂合的粘附能和由相互作用的DNA链提供的空间排斥之间的平衡可以在形成长程排序和有序相的多样性方面发挥作用。通过实验实现该方法已经证实了单链DNA(ssDNA)在颗粒之间提供宽范围渗透压的能力，其调节系统组装的动力学和偏移。尽管已有这些计算和研究，但DNA介导的纳米颗粒组装中的长程排序还必须进行观察。

DNA帽化纳米颗粒的模型系统可用来系统地考察在DNA介导的组装中DNA结构(其调节杂合诱导的吸引和渗透排斥)与颗粒内部排布之间的依赖性。监控这些组装体内结构演变的一种方便方式是原位使用同步加速器小角X射线散射(SAXS)。在一些方面，本发明鉴定了形成限制良好的三维(3D)晶体颗粒结构所必需的DNA设计和热动力学途径。在一些实施方式中，形成了这种结构。

如从图1-5可以看到的，DNA特性和组成可以用来精细控制自组装动力学以及纳米颗粒的最终组装聚集体大小和形态。在本发明的一个实施方式中，帽化DNA中的间隔序列通过与其互补序列杂合而成为“刚性的”，以便使聚集促进性互补序列延伸远离纳米颗粒的界面。在本发明的该实施方式中，间隔序列位于该帽化DNA结合颗粒的末端附近。当间隔序列与其互补物杂合时，帽化DNA的聚集促进序列不再与纳米颗粒表面相互作用，从而增强杂合和聚集动力学。

该实施方式的另一方面涉及采用间隔序列的刚化来控制聚集纳米颗粒中的颗粒间距离。通过变化间隔序列及其互补物的长度，可以控制聚集体中的颗粒间距离。

在本发明的另一实施方式中，帽化混合物中包括中性非互补DNA。通过改变中性非互补DNA相对于聚集促进性互补DNA的量，可以控制聚集体的大小和每个纳米颗粒可能的键接数量。在该实施方式中，采用刚化间隔序列可额外增强聚集动力学。

图1A和1B示出了现有技术中DNA介导的纳米颗粒组装草图。在(1A)中，纳米颗粒A(2)和纳米颗粒B(4)上的DNA序列彼此互补，一旦混合颗粒即可自组装。在图1B中，纳米颗粒C(6)和D(8)上的DNA彼此不互补，但各自均互补于交联链(13)(其诱导自组装)的不同部分。在示意图1(图1A)中，多组纳米颗粒均用互补的单链DNA进行功能化。将两种颗粒混合在一起后，DNA之间发生杂合，最终形成大规模聚集。在图1B的示意图2中，多组纳米颗粒首先用多组非互补DNA进行功能化。然而，加入单链DNA(13)(其不同部分互补于所述各个DNA)后，将发生交联，引起组装。由于其在生物诊断中的用途，示意图2中示出的策略成为较常应用的途径。在这些情况中，交联链(13)是未知浓度或未知序列的目标链。通过加入用DNA功能化的纳米颗粒，任何由交联剂诱导的聚集均可检测到。检测基于金纳米颗粒本身的光学性能，当溶于溶液中时其为酒红色，而组装时则为暗红色或紫色。

在图1A中，颗粒A(2)和B(4)具有互补识别序列(3)和非互补间隔区(5)。这些序列在两种颗粒上不必是相同的，且可以包括碱基序列不同且长度不同的区域。它们杂合形成杂合体，其具有间隔区(14)和由连接物(接头，linker)(12)形成的连接区(10)，这里通过连接相互互补的识别序列而提供。进一步孵育之后，连接的纳米颗粒(NP)可以形成聚集体(16)。图1B描述了一种情形，其中两种颗粒C(6)和D(8)不是相互互补的，同样它们具有识别序列(7)和间隔序列(9)。这些序列在两个颗粒上不必是相同的，并且可以包括碱基序列不同和长度不同的区域。在该情况中，连接物(13)对于沿着连接区域(11)连接该两种颗粒是必需的。杂合后，该连接物沿着连接区域(11)连接这些颗粒，该区域(11)通过间隔区(15)远离未帽化的NP。同样，连接的NP可以形成聚集体(18)。

使用DNA诱导自组装的第二个新性质是DNA键接倾向于在某个温度下融化，该温度取决于所使用的DNA序列、纳米颗粒之间的键接数量和局部盐环境。这允许基于组装体熔点而开发其他生物诊断方法，而且能够简化可分解纳米颗粒组装。这种分解是这些系统的显著特性，其他系统中尚未表现出类似现象。使用DNA诱导的纳米颗粒自组装的第三个优点是DNA形成复杂和延伸结构的独特特性。在该领域中，称为DNA支架化，DNA可寻址性和可程序化用来形成广泛的几何形状和形态。

尽管使用DNA自组装纳米颗粒已有这些进展，但是仍然存在许多局限性和技术障碍。这些局限中的一些涉及DNA与纳米颗粒界面的组装干扰配位。因为纳米颗粒表面是高度反应性的，并且通常是带正电的，所以DNA强烈吸附至该表面。这使得DNA序列变得不可接近而用于杂合，从而形成较差的纳米颗粒组装动力学。对于使用低DNA覆盖的系统来说尤其如此。本发明的一方面通过使聚集促进性互补DNA序列延伸远离该纳米颗粒界面而解决这个问题。

虽然自组装的确是由DNA杂合诱导的，但是在控制和优化组装动力学和聚集体大小方面的难度仍然限制其应用。因此，增大组装动力学的能力可以减少生物诊断的检测次数，并且无需进一步基于大小排除进行纯化的步骤而控制聚集体形态的能力将有助于控制聚集体形态和空间特性(颗粒间距离)以及聚集体的熔化特性。因此，本发明的另一方面提供了用于增强聚集体形成的动力学控制的系统。

实施例

各种类型(金属、半导体、磁性、电解体及其组合)和形状(球形、棒状、二十面体、平面、管状等)的颗粒均可形成3D有序结构的一部分，并且可以用于3D有序结构的组装工艺中。如本文使用的，除非另有指明，“颗粒”应解释为包括微构件(包括微球、微棒等)和纳米构件(富勒烯、量子点、纳米棒、纳米管等)。各种长度的DNA均可借助多种功能化途径附着至这些颗粒，包括：金属-DNA结合(借助利用未修饰Au、Ag或Pt纳米颗粒等的硫醇或胺-封端DNA化学吸附)、有机交联(借助胺-、硫醇-、羧酸-等功能化DNA和具有羧酸、胺、硫醇、酮、醛等表面功能化的颗粒之间的化学偶联)以及生物亲和力(借助生物功能化DNA和生物学修饰颗粒之间的特异性生物相互作用，蛋白-蛋白、DNA-蛋白、DNA-DNA等)。

此外，微构件和纳米构件的核酸功能化不必限于DNA功能化。可以使用核糖核酸(RNA)而非DNA，或者可与DNA联用，以利用其独特性能。类似地，肽核酸(PNA)可能比DNA更稳定，因而可以在对于DNA功能化颗粒来说太苛刻的环境中应用。

以下是DNA指导的颗粒装配体以及制备它们的方法的几个具体实施例。应当理解，这些实施例仅是为了说明而绝非以任何方式限制本发明。例如，所使用的DNA序列不必是已列举的那些；任何具有所需长度的互补和非相互作用节段的DNA序列均可采用。此外，A链和B链可以完全无相互作用，且可利用单独的连接序列杂合和连接。间隔区和连接区的长度和/或长度比可以与所描述的有所变化。颗粒材料和大小的选择取决于所得超材料的计划用途。尤其是，颗粒A和B可以是不同材料，例如金和银，甚至(是不同)材料类型，例如金和硒化镉。也可组装三种或更多种颗粒类型，例如，金-银-铂或铁-碳-铬-钒。

实施例1：组装动力学的可调节性

纳米颗粒合成：金纳米颗粒(Au，9.6±0.6nm)利用稍做修改的柠檬酸盐(Cit)还原过程合成。简单而言，将1mM陈化HAuCl₄溶液加热至～95℃达30分钟，向该溶液中加入一份加温的38mM柠檬酸三钠溶液(10ml)。初始颜色变为红色后，立即将该溶液冷却至～80℃并退火2小时。随后该样品通过过夜搅拌自然冷却至室温。然后该溶液通过离心(30min，7,000RPM)而纯化并在避光条件下以所需浓度储存。在一个示例性实验中，Au颗粒的大小随着沸腾时间增加而增大。Au浓度则经由测得的消光系数1.0x10⁸Lmol^-1cm^-1进行计算。

DNA-纳米颗粒修饰：1型(1＝5’-TAC TTC CAA TCCAAT-(T)₁₅-C₃H₆-SH-3’)和2型(2＝5’-ATT  GGA TTGGAA-(T)₁₅-C₃H₆-SH-3’)硫醇功能化的单链寡核苷酸购自IDT公司，用作二硫化物。在典型实验中，样品首先通过在纯水或缓冲液中用0.3ml 100mM二硫苏糖醇(DTT)溶液溶解冻干样品(200-300nmol)30分钟而还原。然后将样品加载到新鲜制备的交联葡聚糖凝胶

柱(G-25，Amersham Bioscience)上并用2.5ml 10mM磷酸缓冲液(pH 7.0)洗脱。寡核苷酸浓度使用UV-Vis分析在特定消光系数下进行定量。选择1型和2型ssDNA的3’-硫醇修饰作为模型研究，然而，也可使用5’-硫醇修饰。最近证实，相比于3’-硫醇修饰(HSC₃H₆-ssDNA)，凝胶电泳检测发现5’-硫醇修饰(HSC₆H₁₂-ssDNA)接接序列能够增加金纳米颗粒上的表面密度。选择15-碱基(15b)多聚-dT间隔区是由于已知其与金界面的配位较低从而可增强样品稳定性和覆盖。

然后，依照用于高DNA覆盖的方法，将合成的Au颗粒用寡核苷酸1或2进行功能化。在典型实验中，将一份(1-50μl)50-300μM的寡核苷酸溶液加入Cit-Au的纯水溶液中([Cit-Au]＝10-30nM)。调节寡核苷酸/Au的比值以控制Au的覆盖。在该实验中，比值保持在300∶1。寡核苷酸+Au溶液在达到10mM磷酸盐缓冲液(pH7.1)浓度之前在未缓冲溶液中孵育至少12小时，并在室温下再退火～4小时。随后盐浓度先增至0.1M NaCl达～6小时，最后再增至0.3M NaCl浓度达12小时。寡核苷酸修饰的Au(1-Au，2-Au)在这些高盐浓度下是无限稳定的。该溶液通过7,000RPM离心30分钟去除过量DNA而纯化。收集上清液并测定过量DNA，并将浓缩的颗粒再分散于0.3M PBS中。这种清洗过程通常重复至少3次。以该供料比，通过荧光和UV-Vis分析可计算出结合于每一个Au的1型或2型寡核苷酸的数量(n)为～50(～26.4pmol/cm²)。

样品制备：在该研究中，通过混合使等体积(200μl)等浓度([Au]＝4.5～7.5nM)的1-Au和2-Au结合而进行1-Au和2-Au之间的组装(图2A的sys-VII)。在sys-VIII(图2B)中，1-Au和2-Au前体中的相同间隔节段首先以500∶1的摩尔比在0.3M PBS中通过15-碱基寡-dA而杂合。当考虑每个纳米颗粒n为～50时，该比值大约达到10倍过量的表面结合1或2。样品孵育过夜以形成dsDNA间隔节段，得到1*-Au和2*-Au，并通过如上的多次离心和用缓冲液清洗去除过量寡-dA而纯化。目前尚未确定有多少可利用的寡-dT间隔序列由该过量浓度的寡-dA杂合。最近的热动力学研究已证实，纳米颗粒表面上的不饱和杂合很常见。然而，因为动态光散射(DLS)检测表明DNA帽化厚度值接近理想模型，所以可能很大百分比的间隔序列已经发生杂合。为了进行比较，sys-VIII的组装始终利用相同Au大小、DNA覆盖、溶液条件和浓度并在通常实验室误差参数范围内实施。

该实施例用来证实DNA帽化纳米颗粒系统(通过加工表面结合DNA的构象而实现)组装动力学的可调节性。所使用的模型系统是金纳米颗粒(Au，9.6±0.6nm)，其用单链(ss)或部分刚性的双链(ds)间隔序列加以互补帽化，如图2A和2B所示。Au用约50个单链DNA 1((1＝5’-TAC TTC CAA TCC AAT-(T)₁₅-C₃H₆-SH-3’)或DNA 2(2＝5’-ATT GGA TTG GAA-(T)₁₅-C₃H₆-SH-3’)进行帽化，分别形成1-Au(20)和2-Au(22)。在第一个组装系统(sys-VII)中，仅使用ssDNA帽化(即，1-Au+2-Au)。在系统2(sys-VIII)中，相同类型的颗粒1-Au和2-Au首先在其寡-dT间隔节段((T)₁₅)处与15-碱基寡-dA链进行杂合，形成部分dsDNA帽化的1*-Au(24)和2*-Au(26)。这种杂合引起构象从卷绕ssDNA变为部分刚性dsDNA，这导致产生该DNA(1和2)的聚集促进性互补序列延伸远离颗粒表面，有助于克服与Au界面的卷绕和配位的组装干扰效应。由sys-VII和sys-VIII分别形成的聚集体(28，30)大小可以不同或相同。颗粒1-Au和2-Au仅用ssDNA功能化。连接DNA(32)相互杂合，而中性DNA(36)则不参与杂合。颗粒1*-Au(24)和2*-Au(26)既用不参与杂合的中性(非互补DNA链，其在组装过程中不能杂合)ssDNA(38)功能化，又用部分刚性的部分杂合DNA(40)加以功能化。该部分刚性的功能化DNA(40)使连接区域远离未帽化的纳米构件表面，从而产生比ssDNA更大的颗粒间距离。

sys-VII和sys-VIII中的组装导致形成包含数千单个Au NP的大聚集体。表征这些聚集体的熔化特性，表明sys-VII和sys-VIII的熔化温度(T_rn)分别为～59℃和～61℃。这些结果提供了Au NP之间存在DNA键接的证据，且表明sys-VII和sys-VIII之间存在局部差异。

为了考察这些差异，我们利用UV-可见光光谱(UV-Vis)原位监测了该自组装过程。UV-Vis探测了表面等离子(SP)共振带，其与AU和组装的Au纳米结构相关，并且是多种比色检测方法的基础。图4示出了一组sys-VII(A)和sys-VIII(B)的UV-Vis数据，其是在基本相同的条件和浓度下在组装期间检测的。由于SP带位置发生红移(带加宽)(525-900nm)且消光随时间降低，所以组装在UV-Vis中非常明显。

图4A、4B、4C和4D代表装配体典型UV-Vis、TEM和DLS结果在不同时间的演变，以及由其得到的动力学曲线。sys-VII(图4A)和sys-VIII(图4B)中组装的代表性UV-Vis和TEM结果在10(a)、60(b)、180(c)、350(d)和485(e)分钟时检测到。可以看到，图4A中的聚集体(56)在所有时间步骤均比图4B中的那些(58)小。这里使用的特定溶液是含[1-Au]＝[2-Au]＝4.6nM，[1*-Au]＝[2*-Au]＝4.6nM的0.3M NaCl、10mM磷酸盐缓冲液pH7.0(下文为0.3M PBS)中。通过Avrami拟合UV-Vis在525nm监测得到的sys-VII(VII)和sys-VIII(VIII)动力学曲线示于图4C中。未帽化Au、1-Au和1*-Au的DLS结果示于图4D中。

最近，对DNA介导组装体光学性能的电动力学模拟表明，对消光光谱的主要贡献来自筛查生长聚集体内的Au，散射组分随时间增加，且要求聚集体包含数百单个Au以显示类似于图4A和4B的变化。在该实验系统中，聚集之后还进行长组装时间的沉积。对于sys-VII(图4A)，组装的第一小时显示SP带(a-b)很少出现可观察到的变化。在大约8小时的过程中，表面等离子共振带(SP带)波长出现小的红移，从525nm到533nm，同时出现明显的消光降低(c-e)。sys-VII的这些变化是1-Au与2-Au之间的相对无效杂合以及聚集体生长缓慢的结果。

相反，图4B示出sys-VIII的UV-Vis进展增强，这揭示了与sys-VII的两个主要差异。第一，有一个即刻的SP带红移至约535nm(a)，1小时后出现继续红移及加宽(b)。第二，在长反应时间下消光的降低以显著较高的速率进行(c-e)。这些光学改变表明sys-VIII比sys-VII的组装动力学较快而且聚集体尺寸较大。

为了考察聚集体的大小和形态，图4A和4B中还示出了来自相应UV-Vis光谱的样品透射电子显微镜(TEM)结果。在组装期间清楚地观察到聚集体逐渐增大的趋势，其中sys-VIII的聚集体在特定组装时间内表现为较大的形态。为了探测这些聚集体在其天然缓冲环境中的结构细节，我们利用了带有同步加速器辐照的原位小角X射线散射(SAXS)。SAXS结果表明，50℃退火后所组装聚集体的颗粒间距离为11～12nm，其中sys-VIII始终表现为比sys-VII的颗粒间距离大0.5～1.0nm。

为了进一步评价sys-VII和sys-VIII中的组装过程，通过追踪525nm处的SP带(图4C)来监测动力学。该动力学曲线示出了吸收的逐渐衰减，这一点sys-VIII更突出。其他波长的动力学图谱示出了类似的趋势。为了定性对比这些动力学图谱，我们利用用于成核和生长的Avrami定律来描述它们。假定525nm处的SP带主要归于单个颗粒和相对较小的聚集体(几百个Au NP)，则Avrami定律的表达可以参数化为：Abs＝Abs₀exp(-(t-t₀)/τ)ⁿ)，用于UV-Vis监测，其中t是组装时间，t₀是反应开始时间，τ是依赖于反应速率和聚集体几何形状的特征时间，n是依赖于聚集体生长物理机制的Avrami指数。虽然这种描述未能分离如上所述影响消光的各个因素，但它提供了对所观察到效应的合理描述。通过拟合图4C中的动力学曲线，我们确定了sys-VII和sys-VIII的τ分别为568min和328min，而n分别为2.2和2.4。sys-VIII的τ降低表示组装速率增加，而n的幅度则表明反应速率不恒定，这可以解释为生长聚集体的扩散限制性增长和聚结。τ的幅度受Au浓度及DNA表面密度的影响，然而，可一直观察到动力学趋势为sys-VII＞sys-VIII。有趣的是，我们注意到，当使用其中ssDNA-和dsDNA-帽化等量混合的系统时，可观察到492min的中间τ。

所观察到的动力学增强(～2x)可以归于DNA帽化的刚性增加，这使得聚集促进性互补序列延伸远离Au界面。为了模型化该效应，评估了每一个系统中颗粒的DNA-帽化厚度(T)(图2)。sys-VII中纳米颗粒的T(T₁)模型化为：T₁＝T₁ ^C～6nm，其中T₁ ^C是30-碱基随机卷绕寡核苷酸的末端间距离，如通过蜗虫状链模型所描述的。sys-VIII中纳米颗粒的T模型化为：T₂＝T₂ ^R+T₂ ^C～9nm，其中T₂ ^R是刚性dsDNA 15-bp间隔节段的长度，而T₂ ^C是其余15-碱基寡核苷酸的末端间距离。根据这种近似法，我们可预测，相对于sys-VII，sys-VIII中分离的颗粒T增加～3nm。

为了检测T的实际变化，我们利用了DLS。图4D示出了分离的未帽化-Au、1-Au和1*-Au的DLS结果，其表明流体动力学直径值(D_h)分别为～10.1nm、～21.0nm和～28.1nm。sys-VII和Sys-VIII的T对应的值分别为～5.5nm和～9.0nm。所分离纳米颗粒的T增加～3.5nm，接近于所估计的差异，综合SAXS结果，可表明sys-VIII中所组装聚集体的颗粒间距离增加，进一步强化了一个结论即杂合序列从界面延伸能提供更有利的组装条件。

增加DNA帽化结构的刚性使得聚集促进性互补序列延伸远离纳米颗粒界面，这有利于增强组装动力学并提供一种增加所组装聚集体中颗粒间距离的方式。这种方法可以推广用于更复杂的DNA帽化系统，通过设计其可能应用于纳米构建。

计算：为了评估纳米颗粒界面处的DNA帽化厚度(T)，我们估计了该DNA末端间距离的均方(<R²>)。对于ssDNA帽化，厚度(T)通过T₁＝T₁ ^C～6nm进行估算，其中T₁ ^C通过 $<R^2>=2\mathrm{PL}(1-\frac{P}{L}(1-e^{-L/P}))$ 的(<R²>)^0.5进行估算，其中对于ssDNA(sys-VII)而言，P是相关长度(～1nm)，而L是伸直长度(～0.65nm/碱基)。对于dsDNA帽化(sys-VIII)，T₂＝T₂ ^R+T₂ ^C～9nm，T₂ ^R是15-bp双螺旋的估算长度(0.34nm/碱基)，另外15碱基的T₂ ^C如上进行计算。在这些理想化估算中，未考虑链-链之间或链-表面之间的相互作用，因为这些作用的准确定量对于该系统来说相当困难。然而，这些相互作用将仅改变DNA帽化厚度的绝对值，并且不应影响T₂大于T₁的总体结论。除了连接节段物理延伸远离Au界面以及减少对金表面的配位之外，这种改变可以打开DNA帽化中的多个空隙空间，这可以促进杂合。

动力学模型：量化所研究系统中的组装动力学差异可以通过使用用于成核生长的Avrami定律绘制的动力学曲线进行描述。在该描述中，DNA功能化纳米颗粒聚集体的各向同性生长是导致形成体积分数为x＝1-exp(-((t-t₀)/τ)ⁿ)的新转化相的等温反应，其中t是时间，t₀是反应开始时间，τ是依赖于反应速率和聚集体几何形状的特征时间，而n是依赖于聚集体生长物理机制的Avrami指数。因此，假定525nm处的消光主要归于单个颗粒和相对较小的颗粒簇(小于数百个Au颗粒)且吸收率A与颗粒或小簇的浓度C之间成比例，则动力学曲线可以参数化为A＝A₀exp(-((t-t₀)/τ)ⁿ)，其中A₀与C直接相关。虽然这种参数化未能分离影响消光的各种因素，如上所述，但其提供了对所观察到效应的合理描述。

仪器装置：这个实施例中的检测利用以下仪器实施。提供该具体细节是为了通过使用具体实施例进行清晰阐释，而不是为了支持任何特定制造商；任何功能类似的仪器均可应用。

UV-可见光光谱仪(UV-Vis)：UV-Vis光谱在Perkin-ElmerLambda 35分光计(200-900nm)上收集。熔化分析联合Perkin-ElmerPTP-1 Peltier Temperature Programmer进行，且在搅拌的同时以1℃/min的温度坡度在20℃和75℃之间实施。

透射电子显微镜(TEM)：TEM照片在以120kV操作的JEOL-1300显微镜上收集。样品通过将含水纳米颗粒或组装体的溶液浇铸到碳涂覆的铜网上，5分钟后用滤纸缓慢除去过量溶液而制得。

高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)：在进行功能纳米材料电子显微术实验的Brookhaven国家实验室中心，HRTEM照片在以400kV操作的JEOL-4000EX显微镜上收集。样品通过将含水溶液浇铸到碳涂覆的铜网上，5分钟后用滤纸缓慢除去过量溶液而制得。

动态光散射(DLS)：DLS结果利用Malvern Zetasizer ZS仪器测得。该仪器装配有一个633nm激光源和一个在173°的反向散射检测器。数据利用CONTIN法进行分析。

小角X射线散射(SAXS)：原位SAXS实验在国家同步加速器光源(NSLS)X-22B束线下实施。散射数据利用CCD平面检测器收集，1D散射图谱以强度vs.散射矢量q＝[(4πn/λ₀)/sin(θ/2)]表示，其中分别地，n是介质的折射率，λ₀是入射X射线的波长，而θ是散射角。颗粒间间隔d通过d＝2π/q进行计算。q的值相对于山嵛酸银

进行校正。在0.3M PBS缓冲溶液中充分沉淀和分散后，收集DNA介导组装样品的SAXS结果，接着在50℃退火以生成热动力学稳定的聚集体。在温度控制下将样品容纳于收集器的石英毛细管中。

控制颗粒间距离和纳米颗粒间键接数量的能力目前也受到限制。控制这些特性将限定基于纳米颗粒组装的新型材料的光学和电子性能。本发明的另一方面提供用于控制颗粒间间隔的系统以及用于改变与每一个纳米颗粒的键接数量的方法。

为了克服单链DNA与表面配位的问题，我们利用了表面结合DNA中不直接参与组装的双链DNA区域，这使聚集促进性互补DNA序列延伸远离纳米颗粒界面，由此增加用于DNA杂合的可接近性(图2B的示意图2)。图2A和2B显示了DNA诱导的纳米颗粒自组装的剖面示意图。图2A(sys-VII)示出了DNA诱导的具有互补单链(ss)DNA帽化的纳米颗粒自组装的剖面示意图。图2B所示的sys-VIII表示DNA链的间隔序列杂合后相同类型的ssDNA帽化纳米颗粒，这使得聚集促进性互补DNA序列延伸远离该纳米颗粒界面。

为了更好的控制组装动力学和聚集体大小，可以使用互补DNA链(使用互补DNA来驱动颗粒之间基于杂合的组装过程)与中性DNA链的组合，以精细调节颗粒之间的亲和性。另外，使得这些DNA分子的间隔区成为双链，可以使该DNA延伸远离纳米颗粒的表面，从而使杂合DNA更易于成为组装过程的一部分。由于类似原因，我们还示出了双链间隔序列在中性DNA中的应用(图3，示意图3)。采用双链间隔序列和单链区域用于杂合驱动的组装还可更好控制颗粒间距离。

图3A、3B和3C示出了杂合前和杂合后，具有互补和非互补ssDNA帽化的纳米颗粒之间组装的剖面示意图。具有互补和非互补ssDNA帽化的纳米颗粒(A∶C，和A’∶C)之间组装的剖面示意图，其中如图3A所示的，A(44)和A’(46)是互补的聚集促进序列，而C(52)表示“中性”不相关(非互补)序列。该系统中，互补和中性帽化序列之间的比率可以加以控制。图3B示出了聚集促进性互补链的间隔序列选择性杂合以形成刚性节段(命名为^*A∶C和^*A’∶C)后基本相同的组装系统，其中^*A(48)和^*A’(50)是部分刚性的。图3C中示出了互补和中性链的间隔序列已经杂合(命名为^*A∶^*C，和^*A’∶^*C)之后的类似纳米颗粒系统，其中^*C(54)现在也是部分刚性的。

实施例2：组装动力学的增强

当纳米颗粒用一种以上类型的ssDNA功能化时，组装动力学更加显著地增强。图3示出了一种系统的剖面示意图，该系统具有互补的1型(A、A’、^*A和^*A’)ssDNA，还添加了中性、非杂合的3型链(C和^*C)(3＝5’-TTC TCT ACA CTGTCT-(T)₁₅-C₃H₆-SH-3’)。1型(或2型)与3型之间的比率可以借助功能化方法加以控制。

图5A示出了一种系统的一组动力学曲线，该系统由～75％的非互补中性3型(C)ssDNA和25％互补链(A，A’)(1型和2型)构成。由于存在3型ssDNA，组装极其缓慢(圆圈)。然而，在聚集促进性互补1型(^*A)和2型(A’)ssDNA的间隔序列选择性杂合后，组装动力学显著增强(三角形)。图5B示出了用DLS检测的基本相同的系统，其表明了由于加入寡-dA以刚化间隔序列，组装聚集体的大小发生了显著变化。具有0-95％的3型非互补、中性ssDNA的系统也获得类似结果。该方法也能够控制所组装的聚集体大小。图5C示出了一个包含95％非互补中性DNA的系统的最终组装体大小。每一个聚集体(60)仅包含几个(1-4)纳米颗粒。图5D示出了一个包含85％中性DNA的类似系统的TEM照片，其表明每一个聚集体(62)均包含～5-15个纳米颗粒。

图5A、5B、5C和5D示出了包含85％和95％中性DNA的装配体的动力学图谱、DLS结果和TEM照片。图5A示出了通过UV-Vis测得的动力学图谱，表明加入寡-dA后组装显著增强(三角形)。图5B中，基本相同样品的DLS结果表明加入寡-dA后聚集体尺寸显著增加(三角形)。图5C示出了具有95％非互补DNA的系统的组装TEM照片。具有85％非互补DNA的系统的组装TEM照片(图5D)可以与图5C相比拟，再次证实了中性DNA比例降低时聚集体尺寸增加。

这些结果证实，由于DNA是非常通用的，而且由于ssDNA的不同区域可以选择性杂合，因此这种类型的系统对于将来开发非常精确且可预测的纳米颗粒自组装来说是一个理想的候选。本发明技术的一个优点在于证实了DNA帽化的简单部分杂合能够增加组装动力学。另外，中性非互补DNA的使用可用于控制聚集体大小和纳米颗粒之间的键接数量。

实施例3：结晶金纳米颗粒装配体

纳米颗粒合成&DNA-功能化：金纳米颗粒(Au，11.4±1.0nm)通过首先将1mM HAuCl₄溶液加热至～95℃达30分钟而合成。向该溶液中加入一份加温(～40℃)的10-ml 38-mM柠檬酸三钠溶液并使其反应几分钟。初始颜色变为红色后，立即该溶液冷却至约80℃并退火2小时。留置样品以冷却至室温并静置过夜。然后该溶液通过离心(30min，4,500g)进行纯化并以所需浓度储存在暗处。

硫醇-或胺-修饰的单链寡核苷酸作为二硫化物(表1)购得(Integrated DNA Technologies Inc.，Coralville，IA，U.S.A；PrimesynLab Inc.，Hillsborough，NJ，U.S.A)。纳米颗粒功能化之前，首先通过用含0.3ml100-mM二硫苏糖醇(DTT)溶液的纯水或缓冲液溶解冻干样品(100～300nmol)达30分钟而还原该寡核苷酸。将还原的DNA加载到新鲜纯化的交联葡聚糖凝胶柱(G-25，AmershamBioscience)上并用2.5ml 10mM磷酸盐缓冲液(pH＝7.0)洗脱。DNA在特定DNA消光系数下用UV-Vis分析加以定量。

然后，将合成的Au NP用长度为30-200个碱基的DNA进行功能化。在一个典型实验中，将一份(1-50μl)纯化的DNA 50-300μM溶液加入1ml Au溶液([Au]＝10-30nM)中。在加入磷酸盐缓冲液以使其浓度达到10mM(pH＝7.1)之前，将该ssDNA+Au溶液在非缓冲溶液中室温孵育至少3小时。加入NaCl(0.025M)之前，将该溶液留置以在25℃退火4小时。然后在24小时内将该盐浓度逐渐从0.025增加到0.3M NaCl，然后以0.3M再留置24小时，接下来通过4,500g离心30分钟而从溶液中除去过量DNA。该纯化过程重复三次。荧光和UV-Vis分析表明，结合至每一个颗粒的ssDNA总量(n)为～60(±5)(～31.7pmol/cm²)。

SAXS样品制备：由DNA介导的组装聚集体构成的样品依照文献中描述的方法进行制备。在每一个系统中，通过在200μL([A]＝[B]＝～30nM)的10mM磷酸盐缓冲液、0.2M NaCl，pH＝7.1的溶液中于25℃混合等摩尔量的A型和B型DNA帽化Au而实施组装。聚集体组装过夜，收集所得沉淀并在缓冲液中转移至直径约1.0mm的石英毛细管，用石蜡密封这些毛细管以防止挥发。

小角X射线散射(SAXS)：SAXS实验以国家同步加速器光源的(NSLS)X-21束线原位实施。散射数据利用MAR CCD平面检测器测量一维(1D)散射强度vs.散射矢量q＝[(4πn/λ₀)/sin(θ/2)]进行收集，其中

是入射X射线的波长，而θ是散射角。数据以结构因子S(q)vs.q表示。q的值利用山嵛酸银

标准进行校正。S(q)作为I_a(q)/I_p(q)进行计算，其中I_a(q)和I_p(q)是背景校正的1D散射强度，通过分别对所考察系统和未聚集Au的CCD照片进行角度平均而提取。S(q)中的峰位置通过将Lorenzian形式拟合至这些数据而确定。

UV-Vis：在Perkin-Elmer Lambda 35分光计(200-1100nm)上收集UV-Vis光谱。在10mM磷酸盐缓冲液，0.20M NaCl，pH＝7.1缓冲溶液中，熔化分析联合Perkin-Elmer PTP-1 Peltier TemperatureProgrammer进行，且在搅拌的同时以1℃/min的温度坡度在20℃和75℃之间实施。

图6示出了一种方法的示意图，其中DNA帽化的11.4nm金纳米颗粒之间的相互作用可以通过所附着DNA的结构进行调整，如在系统I-VI中看到的。所组装系统可以通过混合多组具有互补DNA帽化的纳米颗粒(称为颗粒A和B)进行制备。帽化中的DNA具有参与A-B杂合的外部识别序列和不参与杂合的内部间隔序列。在这些系统中，识别序列的长度可确定颗粒之间的粘附程度，而柔性或刚性间隔区的长度则限定排斥性相互作用的强度和范围。这种排斥源于杂合链以及由于几何形状限制而不能杂合的链的熵相互作用。通过独立改变DNA帽化中的识别或间隔节段的长度，可以改变颗粒间的整体相互作用。以下是本发明一些实施方式的具体实施例。

通过相同方法制备六种示例性的功能化纳米颗粒系统(系统I-VI)。在系统I-VI中，杂合诱导等摩尔量的A(第一种类型的颗粒，104)和B(第二种类型的颗粒，106)组装导致形成微米大小的聚集体，其在25℃孵育24小时后收集。系统VI(102)通过杂合系统IV的间隔区而制得。然后，在具有±0.1℃稳定性的温控下通过SAXS

原位研究这些聚集体的纳米级结构。图7示出了在～28℃并将聚集体加热至预熔化温度(T_pm)后获自系统I-VI的聚集体的一组代表性SAXS照片，该预熔化温度(T_pm)比装配体熔化温度(T_m)低几度。图8示出了对应的结构因子S(q)，其揭示了第一散射峰的位置。该峰位置q₁对应于颗粒之间的最短相关长度d＝2π/q₁。对于系统I(92)、II(94)、V(100)和VI(102)，在～28℃观察到的间隔(d₁＝15.6，d₁₁＝19.4，d_v＝17.9，d_v1＝27.8nm)短于通过用于颗粒间DNA键接末端间距离的蜗虫状链模型估算的理想系统。系统III(96)表明d大于其模型d～1nm，而系统IV(98)的d为～23.5nm，达到与模型最接近的吻合。DNA的非单轴杂合和局部杂合缺陷可以解释这种d与理想情形的差异，从而导致颗粒初始组装后在室温下以非平衡状态被俘获。在这种情况下，退火有利于使系统达到热动力学平衡。

图7示出了样品在已组装(114，T～室温)和预熔化(T＝T_pm)条件(118)下的散射图谱。在这些温度下，颗粒间粘附能降低，从而允许局部DNA和颗粒重排。在每一个系统中，均观察S(q)峰移动至较低q值(图8)，表明d增大，这可解释为随着退火形成较多单轴杂合的特性，以及随着温度升高DNA的构象发生改变。例如，系统IV表现出

的q-移动，这相当于颗粒表面间距离增加约20％(～4.5nm)。另外，在T_pm进行的SAXS检测表明，所有系统的散射峰均变窄，这可解释为有序性增强。相比于室温，在T_pm下，系统I、II、III和V表现为散射相关长度ξ≈2π/Δq增加10-20％，其中Δq是分辨率校正的衍射峰FWHM而ξ限于仅几个颗粒间间隔。相反，系统IV和VI表现为增加50％ξ以上，至约5d，同时出现有序性较高的峰。这些随温度出现的重构表明，聚集体中的颗粒最初在亚稳态下被俘获。在T_pm下退火后，可能发生DNA键接的局部重排，引起颗粒位置和取向重调，其通过最大化颗粒间的DNA键接数量而优化颗粒间相互作用。该效应的一个成分是间隔区结构，其适于进行较大的局部重排，这是由于键接的柔性较大且颗粒再定位或旋转所需的能量较小。

由于在T_m下发生DNA去杂合，因此随着温度进一步升高可出现DNA连接颗粒系统的分解。该事件由图8中所示散射峰消失以及仅出现漫散射而得以证实，其中该漫散射是单个纳米颗粒而非装配体的形状因子信号。系统II、III和IV表明在几分钟内发生结构分解，而系统I和VI则由于动力学慢得多而表现为较宽的残峰。在系统V中，30-碱基(30-b)识别节段杂合导致T_m＞85℃。冷却低于T_m后，发现每一个样品均再组装成与其预熔化状态相同的结构(除了系统IV)，其显示为异常清晰的环形图案，表明自发晶体形成。低温光谱(114)用较黑的线表示，而较高温度的光谱(120)则用较浅的线表示。

针对系统IV中排序的实验路径示于图9，其示出了正熔化(56℃)、已熔化(71℃)、中间(60℃)之前处于退火状态以及再组装(57℃，30℃)之后处于有序状态的系统的散射图谱和各自S(q)。这在图9中通过高于dsDNA熔点的亚稳态(132)、分解状态(134)以及冷却低于该熔点的结晶态(136)示出。有序结构的征象在低于～60℃的T_m下立即开始出现，其中S(q)表明强漫散射中存在几个衍射峰，其中该强漫散射可归为纳米颗粒形状因子的较大贡献。这表明存在新形成相的核与未组装颗粒的共存状态。进一步冷却至59℃-57℃后，如由颗粒形状因子对散射的贡献显著减少且出现未定向多晶样品的清晰圆形图案特征(即，粉末散射)所证明的，可观察到样品的结晶。这种晶体形成在仅几分钟内即可发生，不受高达1℃/min的冷却速率影响。

图9中的SAXS图案显示7阶分辨率限制的Bragg峰，证明了系统IV的晶体3D结构，其具有显著程度的长程有序性，其中ξ大于几百纳米。一旦形成，晶体结构的形成是可逆的，在多个组装-分解循环后未出现有序性质量的明显损失或者系统性能的变化。另外，在SAXS监测的几天内，晶体结构在溶液中是稳定的。对峰位置比的分析表明q_x/q₁＝√1∶√2∶√3∶√4∶√5∶√6∶√7，这对应于Im’3m间隔基团，一种体心立方(bcc)结构，如图10中所示。S(q)中的峰高度也定性遵循对bcc排布预测的相对强度。该结构对应的晶格参数(a)在57℃为～37.5nm，而在冷却至30℃后为～34.8nm，其对应于第一配位层中颗粒核心之间21.1-和18.7-nm的表面间距离。这种结构相当开放，其中纳米颗粒仅占该结构体积的～3-4％，而DNA则占另外的4-5％。因此，所组装结构的体积中多于～90％由溶剂分子占据，其远高于bcc方向的堆积硬球中约32％的典型空隙空间。

装配体的晶体结构是出乎意料的，因为对于硬球堆积来说通常不会观察到bcc结构形成，硬球堆积易于形成六角紧密堆积(hcp)或面心立方(fcc)相。应当注意，尽管hcp和fcc结构都称为“紧密堆积”，而bcc结构称为“非紧密堆积”，但是功能化颗粒通常不会如理想化硬球那样紧密堆积。由于A的配位层中仅具有颗粒B，反之亦然，因此bcc结构可很好的适应用于优化示例性二元A-B系统中相互作用能的要求，其中A-A和B-B相互作用主要是排斥。然而，可通过改变工艺条件或功能化颗粒的DNA结构而形成多种晶体结构。

改变系统I-VI中间隔区的长度和柔性可以确定用于形成组装bcc晶体相的条件，证实对于特定识别序列长度，较长且较柔的间隔序列有利于形成组装的晶体相。DNA序列中的这些结构变化可以与对长程排序有利的颗粒间相互作用势相关联。尤其是，DNA中间隔节段的长度至少部分确定了与颗粒大小相关的相互作用范围，并且处于用于该示例性实验中所研究最长间隔序列的颗粒大小级别。DNA诱导的结晶可能需要长程相互作用，处于颗粒大小或更大的级别，用于实现晶体相中的多样性，其中bcc相是丰度最大的。这种由间隔区长度和柔性决定的势能柔软度允许以较低的能量消耗进行相等的颗粒空间位移。DNA介导的相互作用的复杂性、其分散的碱基对和链特性以及群集效应，使得定量测定该势能柔软度成为一个难题，但对于自发bcc晶体形成的一组条件的经验描述对于长期寻找的可控性纳米颗粒组装排序是一个重要步骤。这种用于产生良序超材料的方法可以导致产生独特于不同组装条件和材料的相多样性。除了其他修饰外，这种多样性可例如通过改变DNA序列的间隔区和识别节段的长度或者或通过改变其长度的比率而实现。

DNA帽化金纳米颗粒装配体中的长程有序可以通过改良DNA设计改变颗粒间相互作用而实现。DNA节段的长度和刚性以及组装体内部结构之间的关联性可以利用SAXS进行原位考察。利用本文所述技术形成的DNA帽化纳米颗粒的bcc晶体结构表现出超过几百纳米的相关长度，并且是明显开放的，其中颗粒仅占据晶格体积的～4％。纳米颗粒的这种晶体结构是热动力学稳定且可逆的，证实晶格常数在大约30℃的温度范围内几乎扩大10％。该示例过程证实了通过DNA在纳米颗粒组装中诱导长程有序性的能力。该长程有序在至少十个颗粒间距离或晶胞上持续。这表明了利用生物识别相互作用从纳米级构件形成3D晶体结构的新途径。这种途径可以在这些系统中产生多种多样的相，通过设计接下来可能生成超材料。通过充当能够加速化学反应的催化剂或者通过携带该催化剂，该开放式结构以及同时增加的表面积可用来促进催化。

图6示出了DNA键接的典型结构，而图7示出了具有相应键接结构的未退火和退火的DNA连接纳米颗粒聚集体的小角X射线散射(SAXS)结果。在图6的示意图中，识别(互补)序列在DNA帽化颗粒A键接的底部及帽化颗粒B间接的顶部上示出(为了清晰，仅示出了一个颗粒间键接)。在上述实施例中，系统I的纳米颗粒用单链DNA(ssDNA)的序列功能化，该单链DNA每一个均具有3-b非相互作用的中性区和15-b互补连接区(颗粒A沿着其与颗粒B杂合，形成15碱基对(bp)的双链连接区)。在系统II中，两种颗粒均具有15-b中心区和15-b连接区，并在杂合时形成15-bp连接区。系统III是不对称的，其中颗粒A具有35-b间隔区和15-b连接区，而颗粒B则具有各15-碱基的间隔节段和连接节段。在系统IV中，颗粒A和B均用35-b间隔(中性)节段和15-b连接(互补)节段功能化。系统V的功能化颗粒具有含3-b间隔区和30-b连接区的DNA序列，而在系统VI中，间隔区是由35个碱基对构成的双链，而连接区则包含15个碱基的ssDNA。系统VI的功能化颗粒通过杂合系统IV颗粒的间隔节段而获得。

图7中显示了未退火系统和在预熔化温度T_pm下退火系统的SAXS图案，其中每个照片上均指出了实验温度。左边的系列示出了未退火系统的结果，而右边的系列则对应于退火的样品。未退火系统I-V的散射图案在28℃获得，而未退火系统VI则在30℃获得。系统I的退火样品数据在59℃取得，系统II为57℃，系统III为53℃，系统IV为56℃，系统V为71℃，系统VI则为62℃。

图8示出了图7中所示散射图案的提取结构因子S(q)。深色线示出了退火之前系统的S(q)，而浅色线示出了退火系统的S(q)。系统I至VI的第一S(q)峰的位置分别为：低温下q_I＝0.0403，q_II＝0.0324，q_III＝0.0273，q_IV＝0.0266，q_V＝0.0351和

而T_pm下q_I＝0.037，q_II＝0.0298，q_III＝0.0244，q_IV＝0.0233，q_V＝0.029和

图8中，浅色线代表退火样品，而深色线代表未退火样品。

图9示出了系统IV的SAXS照片、提取结构因子S(q)和结晶途径示意图。纳米颗粒的未退火系统处于亚稳态。随着温度升高，系统熔化并分解。在冷却时发生结晶，且结晶在随后跨越装配体熔化温度通过加热/冷却循环时是可再现的且稳定的。S(q)线连续地移动4.4个单位。插图示出了60℃时q范围为0.018至

的S(q)放大区域。

表1：研究中使用的ssDNA

表2：组装聚集体的UV-Vis熔化分析结果

^a检测表明T_m＞85℃

如在图10中看到的，系统IV的结晶结构利用SAXS确定。点线(140)表示对点散射体的体心立方(bcc)晶格所预测的S(q)峰幅度和位置。在30℃取得的实验数据(138)与理论预测的匹配非常紧密，表明系统IV的纳米颗粒可组装成具有bcc结构的三维晶体。bcc结构(142)的晶胞示意图在插图中示出。所提出的颗粒排布通过代表具有互补DNA连接序列的颗粒的浅色和深色球表示。颗粒A以颗粒B作为最近的邻居，反之亦然；换句话说，颗粒A的配位球体仅由颗粒B构成，反之亦然。系统IV的晶格参数a在T＝30℃时为34.8nm，而在T＝57℃时为37.5nm。

图11包含系统I至VI中使用的DNA帽化金纳米颗粒的一组代表性TEM照片和统计分析。左边显微照片中的比例棒等于70nm，而右边照片中的比例棒等于10nm。颗粒尺寸的统计分析得到纳米颗粒(144)的尺寸为11.4±1.0nm。

图12包含晶体形成后从系统IV收集的一组代表性SEM照片。最左边SEM照片中的比例棒等于100微米，而其他两张照片中的比例棒则相当于100纳米。纳米颗粒(146)在较暗的衬底背景中显得较亮。类似地，图13示出了晶体形成后从系统IV收集的一组代表性TEM照片。最左边TEM照片中的比例棒等于100nm，而其他两张照片中的比例棒则表示90nm。局部放大的插图区域由最右边显微照片中的框示出。同样，可以清楚地看到纳米颗粒(150)。

图14示出了处于退火前和结晶状态的系统IV聚集体的一组熔化曲线，而图15中示出了其相对于温度的一阶导数。实线对应于退火之前的聚集体，而虚线对应于结晶结构。图15中的曲线分析得到了退火前形式的熔化温度为63℃，而晶体形式的熔化温度为62℃。收集含0.20M NaCl、pH为7.1的10mM磷酸盐缓冲液中聚集体的数据；温度变化的速率为1℃/min。

图16示出，71℃时系统IV的散射强度为q的函数。数据通过实心符号(160)表示，而实线(162)表示将这些数据与对具有高斯尺寸分布的球形颗粒所做预测进行拟合。拟合的颗粒直径为11.5±1.2nm，非常接近通过TEM确定的11.4±1.0nm的直径(图11)。

类似的结果可以利用尺寸和组成差异巨大的颗粒来获得。

实施例4：聚苯乙烯微粒

聚苯乙烯颗粒的表面修饰：将具有30-200个碱基的单链3’-伯胺修饰的ssDNA接至羧化的聚苯乙烯胶态球体(1.9μm)上。在典型修饰中，悬浮0.15wt％的颗粒并在100mM EDAC存在的情况下于50℃在100mM咪唑缓冲液(pH 7.0)中与15μM DNA溶液一起孵育3小时。修饰的颗粒通过连续离心(800g，6min)和上清液交换在0.5％SDS溶液中清洗3次。然后，类似地，将其在热(60℃)去离子水中清洗三次并再悬浮于10mM磷酸盐缓冲液(pH 7.7)中，于4℃储存。

表面上非互补DNA的量f_N通过改变移接过程中所使用连接序列(L)的DNA浓度[L]和中性序列(N)的DNA浓度[N]的比值加以控制，f_N＝[N]/([N]+[L])。DNA功能化如金纳米颗粒一样实施。DNA表面密度通过荧光检测定量为约0.3链/10nm²，或者约300,000总ssDNA链/微粒。

f_N＜0.50时，仅观察到大聚集体，每一个均包含数千个颗粒。当f_N处于0.50和0.90之间时，聚集体尺寸随着f_N增加而降低，仅包含几个聚苯乙烯(PS)颗粒的簇。当f_N达到约0.95时，仅观察到独立的未组装PS。因此，聚集体尺寸随着f_N增加而减少的效应表明在平衡吸引性相互作用方面渗透排斥(由NssDNA提供)的强烈影响。功能化Au纳米颗粒(AuNP)可获得类似的结果，随着f_N增加聚集体生长显著减慢。AuNP的熔化温度也随着f_N增加而降低。

实施例5：胶乳微粒

胶乳颗粒的表面修饰：制备胶乳球体(约1.9μm)并依照用于聚苯乙烯微粒的相同过程对其表面进行修饰。表面上非互补DNA的量f_N同样通过改变移接过程中使用的DNA浓度[L]和[N]的比率加以控制，f_N＝[N]/([N]+[L])。DNA功能化如同金纳米颗粒一样实施。DNA表面密度通过荧光检测加以定量。

观察到与PS微粒一样的结果，其中聚集体尺寸随着f_N增加而降低。另外，还观察到聚集体的组装速率随着f_N增加而降低。此外，这些结果可在0-140mM的大范围离子强度中观察到。然而，对于特定f_N，聚集体尺寸随着离子强度增加而增大。

在微米量级，可以假定胶乳和PS颗粒的表面相对于连接和中性DNA是平的。因此，通过杂合至较大颗粒和平坦表面而连接的纳米构件和微构件可以获得类似的结果。

实施例6：连接DNA介导的纳米颗粒结晶

金纳米颗粒(AuNP)合成：简单而言，将1mM HAuCl₄水溶液加热至沸点达15-30分钟。然后，将一份10mL浓度为38mM的柠檬酸三钠加入该溶液中。初始颜色变为红色后，该溶液立即用H₂O淬灭，然后自然冷却至室温。将溶液避光储存。Au浓度通过消光系数1.0.10⁸L mol^-1cm^-1进行计算。

DNA纳米颗粒修饰：典型地，硫醇功能化的单链寡核苷酸(ssDNA-A和ssDNA-B，序列参见下文)作为二硫化物购得(从IDT Inc.)，首先利用二硫苏糖醇(DTT)水溶液还原，接着在新鲜纯化的交联葡聚糖凝胶柱(G-25，Amersham bioscience)中用磷酸盐缓冲液(pH＝7.0)洗脱。DNA在特定DNA消光系数下利用UV-Vis分析进行定量。然后，合成的Au纳米颗粒(AuNP)如前所述用ssDNA-A或ssDNA-B功能化。清洗过程通常重复至少3次。将最终的ssDNA-AuNP分散于0.3M PBS中。结合至每一个AuNP的ssDNA数量估算为约50。

连接物L30和L70由IDT Inc.提供，通过PAGE进行纯化，无需进一步纯化即可使用。组装体通过混合等摩尔量浓度为20-40nM的ssDNA-AuNP-A和ssDNA-AuNP-B以及浓度为0.2～0.8μM的连接物L30或连接物L70而获得。然后将样品加热至65℃并在室温下保持10分钟，随后冷却至室温约2小时。将该悬浮溶液转移至毛细管并留置过夜以使沉淀固定在毛细管底部，然后样品可用于检测。

仪器装置：这个实施例中的检测利用以下仪器而实施。提供该具体细节是为了通过使用具体实施例进行清晰阐释，而不是为了支持任何特定制造商；任何功能类似的仪器均可应用。

TEM：TEM实验在以120kV操作的JEOL-1300显微镜上实施。样品通过将溶液浇铸到碳涂覆铜网上然后去除过量的溶液而制备。

SEM：将样品沉积在清洗过的硅基片上并利用Hitachi S-4800扫描电子显微镜以典型的1kV电压和10μA发射电流进行检测。

SAXS：SAXS实验在国家同步加速器光源(NSLS)X-21束线下实施。缓冲液中的样品容纳于石英毛细管中。温控仪具有±0.1℃的精度，高温下则具有～0.2℃的超调。散射数据利用CCD平面检测器在各个温度下平衡10分钟后加以收集。散射矢量q通过利用山嵛酸银进行校准。

DLS：DLS检测在Malvern Zetasizer ZS仪器上执行。该仪器装配有一个633nm激光源和一个在173°的反向散射检测器。数据利用CONTIN法进行分析。

UV-Vis：UV-Vis光谱在Perkin-Elmer Lambda 35分光计(200-900nm)上收集。

在该方法中，附着在NP上的ssDNA不是互补的；需要两端互补于NP上各个ssDNA的连接DNA(参见图17的插图)。通过在0.3M PBS缓冲液(10mM磷酸盐缓冲液，300mM NaCl，pH≈7.0)中混合等摩尔量两种类型的ssDNA帽化AuNP(命名为ssDNA-AuNP-A和ssDNA-AuNP-B)和不同长度的单链连接DNA，我们已经生成了两组DNA/AuNP杂合系统(Sys-L70和Sys-L30)。AuNP的直径为11.5±1.1nm，其可以从电子显微镜和/或动力学光散射结果进行推导。

两种类型的帽化ssDNA是非互补的：类型A(A＝5’-ATTGGAAGTGGATAA-(T)₁₅-C₃H₆-SH)和类型B(B＝HS-C₆H₁₂-(T)₁₅-TAACCTAAC CTTCAT-3’)。每一类均具有15-碱基外部识别部分和15-b多聚-T，其用作将识别序列与AuNP表面分离的间隔序列。该间隔序列可以为几乎任意长度，包括至少5-b多聚-T(或者多聚-A或其他非相互作用序列，根据需要)。连接DNA分别是L70(5’-TTATCCACTTCCAAT-(T)₇₀-ATGAAGGTTAGGTTA-3’)和L30(5’-TTATCCACTTCCAAT-(T)₃₀-ATGAAGGTTAGGTTA-3’)。每一个均具有柔性多聚-T和互补于AuNP上ssDNA各个末端的两端。柔性聚-T序列实际上可以具有至少5个碱基长的任意长度。15bpdsDNA的熔化温度为约60℃，其通过利用UV-Vis分光计测得。

图17示出了支持DNA/Au纳米颗粒杂合系统中形成开放式BCC晶格的数据。这些数据(点202)与对bcc晶格结构因子的拟合(204)吻合良好。如在插图中看到的，颗粒A(206)完全包围颗粒B(208)，且颗粒B的最近邻居也仅有颗粒A。尽管DNA(210)可防止这些颗粒如理论预测那样密集，但其无法完全解释显著开放的晶体结构。

图18示出了Sys-L30在加热期间的示意图和代表性温度依赖性2D SAXS图案和各个提取结构因子S(q)。两种类型的颗粒(212，214)通过具有中性区(222，224)的连接物(216)进行连接。然后，将该结构沿着连接区(218，220)连接。图18中示出了两种颗粒键接。随着温度升高，有序度从亚稳态(226)增加至结晶(228)至无序(230)，直至在大约59℃下结构熔化。

图19A示出了Sys-L30在冷却期间的温度依赖性SAXS图案。结构的长程有序保持至室温。图19B示出了冷却期间温度依赖性最近相邻距离减少。图19C是在空气中干燥之后Sys-L30晶体的SEM照片。黑线(238)是样品中的裂缝，而点(236)是有序的纳米颗粒。比例棒为100nm。

图20A是高度放大的ssDNA-AuNP(240)代表性TEM照片。图20B示出了未帽化AuNP、ssDNA-AuNP-A和ssDNA-AuNP-B的DLS结果。相比未帽化颗粒，ssDNA-AuNP-A和ssDNA-AuNP-B均表现为向较大直径发生移动。

图21示出了Sys-L70在加热期间的代表性温度依赖性2DSAXS图案。环的清晰度表示有序度，这里，从室温至刚好低于DNA帽化结构熔化温度的温度其有所增加。

尽管已经参照本发明的单个实施方式进行了前述说明，但是应当理解，利用本文中的教导，本领域的熟练技术人员可以在较宽方面上提出各种变化和修饰而不背离本发明。例如，已经描述了利用直径大约10nm的Au纳米颗粒的具体实施方式，但是各种尺寸的其他材料(金属、半导体、磁性、电解体材料)颗粒也可以代替。类似地，将系统I-VI描述为具有固定尺寸的连接和中性节段。实际上，连接区可以包含约10至约200个碱基，形成具有10至200个碱基对的双链连接区，而非相互作用中性节段可以包含约3至约200个碱基。同样，尽管所选实施例提及相同材料的颗粒，但是可以使用混合颗粒，如金属和半导体。具有微米级别(0.1μm至100μm)尺寸的微粒可以用来代替具有纳米级别(1nm至100nm)尺寸的纳米颗粒(参见实施例4和5)。如关于实施例中系统VI所进行的描述，DNA序列的中性节段并非必须是单链。

另外，尽管为了具体说明，实施例已参照DNA功能化进行了描述，但是微构件和纳米构件也可以用RNA或PNA进行功能化。RNA和PNA具有与DNA相同的可寻址性能以及类似的熔化温度和结构。PNA是人工的并且比DNA更能耐受降解，使其可以在对DNA有害的条件下使用，包括在非水溶剂中。例如，DNA和RNA可以一起使用。在这种情况下，使用有催化活性的RNA链来代替至少部分中性DNA可以提供组合中性和杂合DNA的所有动力学好处，同时允许聚集体参与或催化其他反应。

前面的描述是为了举例说明，本发明仅通过所附权利要求加以限定。

Claims (49)

1.一种颗粒装配体，包含：

用核酸的第一序列功能化的第一类型颗粒，所述第一序列包含一个连接核酸的单链节段和一个中性核酸节段；

用核酸的第二序列功能化的第二类型颗粒，所述第二序列包含一个连接核酸的单链节段和一个中性核酸节段；

所述第一和第二类型颗粒通过沿着所述核酸的第一和第二序列的连接节段形成的双链核酸的连接区连接，所述连接的颗粒聚集而形成所述颗粒装配体；以及

所述颗粒装配体显示长程晶序。

2.根据权利要求1所述的颗粒装配体，其中，所述核酸的第一序列包含选自由RNA和PNA组成的组中的核酸。

3.根据权利要求1所述的颗粒装配体，其中，所述核酸的第一和第二序列包含DNA。

4.根据权利要求3所述的颗粒装配体，其中：

所述第一和第二DNA序列的连接节段是相互互补的；以及

所述连接区包含与所述第二DNA序列的连接节段杂合的所述第一DNA序列的连接节段。

5.根据权利要求3所述的颗粒装配体，其中，所述连接区包含核酸的第三序列，其与所述第一DNA序列的连接节段和所述第二DNA序列的连接节段杂合。

6.根据权利要求5所述的颗粒装配体，其中，所述连接区进一步包含一个中性核酸的序列。

7.根据权利要求6所述的颗粒装配体，其中：

所述第一和第二类型颗粒用非相互互补的单链DNA功能化，所述功能化DNA序列每一个包含柔性多碱基间隔区，所述间隔区包含至少5碱基的多聚-T DNA；以及

所述连接区的中性序列包含至少5碱基的单链多聚-TDNA。

8.根据权利要求1所述的颗粒装配体，其中，所述长程晶序延伸至约10个以上的颗粒间间隔。

9.根据权利要求1所述的颗粒装配体，其中，所述长程晶序是三维的。

10.根据权利要求1所述的颗粒装配体，其中，中性核酸的至少一个节段是双链。

11.根据权利要求1所述的颗粒装配体，其中，所述第一和第二类型颗粒具有不同的组成。

12.根据权利要求1所述的颗粒装配体，其中，所述第一类型颗粒包含尺寸约0.1至约100微米的微构件。

13.根据权利要求1所述的颗粒装配体，其中，所述第一类型颗粒包含尺寸约1至约100纳米的纳米构件。

14.根据权利要求13所述的颗粒装配体，其中，所述第一类型纳米构件具有选自由金属、半导体、介电和磁性组成的组中的特性。

15.根据权利要求14所述的颗粒装配体，其中，所述第一类型的纳米构件是金纳米构件。

16.根据权利要求13所述的颗粒装配体，进一步包含：

用核酸的第三序列功能化的第三类型纳米构件，所述第三序列包含一个连接核酸的单链节段和一个中性核酸节段；以及

所述第一和第三类型颗粒通过沿着所述核酸的第一和第三序列的连接节段形成的双链核酸的连接区连接。

17.根据权利要求13所述的颗粒装配体，其中：

所述连接区包含约10至约200个碱基对的DNA序列；

所述核酸的第一序列的中性节段包含具有约3至约200个碱基的单链DNA间隔区域；以及

所述核酸的第二序列的中性节段包含具有约3至约200个碱基的单链DNA间隔区域。

18.根据权利要求17所述的颗粒装配体，其中：

所述连接DNA包含15个碱基对；

所述第一序列的单链DNA间隔区域包含35个碱基；以及

所述第二序列的单链DNA间隔区域包含35个碱基。

19.一种控制颗粒组装体性能的方法，所述方法包括：

用具有第一连接区域和第一中性区域的核酸的第一序列帽化第一种颗粒；

用具有第二连接区域和第二中性区域的核酸的第二序列帽化第二种颗粒；

在所述第一和第二核酸序列之间形成键接；

生成所述连接的核酸帽化颗粒的装配体；以及

通过指定所述各个核酸序列的所述第一和第二连接区域以及所述第一和第二中性区域的长度而控制所述装配体的性能。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述核酸的第一序列包含RNA或PNA序列。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述核酸的第一序列包含DNA序列。

22.根据权利要求19所述的方法，其中：

形成所述键接，包括使所述第一核酸序列的第一连接区域与第三核酸序列的第一连接区域杂合；以及

使所述第二核酸序列的第二连接区域与所述第三核酸序列的第二连接区域杂合。

23.根据权利要求19所述的方法，其中，形成所述键接包括使所述第一核酸序列的第一连接区域与所述第二核酸序列的第二连接区域杂合。

24.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：用非相互作用的核酸序列帽化第三种颗粒，其中帽化所述第三种颗粒的所述非相互作用核酸序列的浓度低于约95％。

25.根据权利要求19所述的方法，其中，控制所述装配体的性能包括控制所述第一种和第二种颗粒之间的键接的数量。

26.根据权利要求19所述的方法，其中，控制所述装配体的性能包括控制所述装配体的熔化温度。

27.根据权利要求19所述的方法，其中，控制所述装配体的性能包括控制所述颗粒之间的颗粒间距离。

28.根据权利要求19所述的方法，其中，控制所述装配体的性能包括控制所述装配体的组装速率。

29.根据权利要求19所述的方法，其中，控制所述装配体的性能包括控制所述装配体的形态。

30.根据权利要求29所述的方法，其中：

所述颗粒是纳米构件；以及

控制所述装配体的形态包括形成显示长程三维晶序的装配体。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，形成所述显示长程三维晶序的装配体包括在低于所述装配体熔化温度的温度下使未退火的装配体退火，将所述退火的装配体加热至高于其熔化温度的温度，以及将所述熔化的装配体冷却至低于其熔化温度的温度，形成所述显示长程三维晶序的装配体。

32.一种构建超材料的方法，所述方法包括：

用核酸的第一序列功能化多个第一类型颗粒；

用核酸的第二序列功能化多个第二类型颗粒；

所述第一核酸序列包括第一组的至少三个单链碱基，所述第一组形成第一连接区域，

所述第二核酸序列包括第二组的至少三个单链碱基，所述第二组形成第二连接区域；

所述第一核酸序列包括与所述第二核酸序列中多个碱基非互补的第一核酸区域，形成至少一个中性区域；

沿着所述第一连接区域使所述第一核酸序列和一组与所述第一组碱基互补的碱基杂合；

沿着所述第二连接区域使所述第二核酸序列和一组与所述第二组碱基互补的碱基杂合，其中所述第一和第二类型功能化颗粒通过它们各自功能化DNA序列中的杂合区域连接；

使所述第一和第二类型功能化的连接颗粒形成聚集体；

使所述聚集体退火；

熔化所述聚集体；以及

使所述熔化的聚集体冷却至低于其熔化温度的温度以形成所述超材料，所述超材料显示长程三维晶序。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第一核酸序列选自由DNA序列和RNA序列组成的组。

34.根据权利要求32所述的方法，其中，使所述连接的颗粒形成所述聚集体包括使所述连接的颗粒进行自组装。

35.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第一和第二类型颗粒是具有纳米级尺寸的纳米构件。

36.一种电浆晶粒，包括：

显示长程三维晶序的生物激励超材料，所述超材料包括多个1型和2型纳米构件，所述1型纳米构件用包含连接区域和中性区域的第一核酸序列功能化，所述2型纳米构件用包含连接区域和中性区域的第二核酸序列功能化，所述功能化的纳米构件通过它们各自的连接区域杂合而连接，所述连接的纳米构件组装成非紧密堆积型晶体结构。

37.根据权利要求36所述的电浆晶粒，其中：

所述1型和2型纳米构件的所述连接区域是非相互作用的；

所述功能化的纳米构件通过它们各自的连接区域与第三核酸序列的第一和第二识别区域杂合而连接；

所述第一识别区域互补于所述1型纳米构件的所述连接区域；

所述第二识别区域互补于所述2型纳米构件的所述连接区域。

37.根据权利要求36所述的电浆晶粒，其中，所述第一和第二核酸序列包含PNA序列。

38.根据权利要求36所述的电浆晶粒，其中，所述第一和第二核酸序列选自由DNA序列、RNA序列、以及RNA序列和DNA序列组成的组。

39.根据权利要求36所述的电浆晶粒，其中，所述超材料具有体心立方晶体结构。

40.根据权利要求36所述的电浆晶粒，其中，所述功能化的纳米构件构成低于约10％所述晶体的体积。

41.一种催化剂，包括：

包括两种类型纳米构件的纳米颗粒组装体，各自用包含连接部分和中性部分的核酸序列进行功能化；

所述组装体显示长程晶序；

所述长程晶序包括具有非紧密堆积型晶体结构的晶体；以及

所述纳米颗粒组装体是可操作的以催化化学反应。

42.根据权利要求41所述的催化剂，其中，所述功能化的纳米构件占据低于10％的所述晶体的总体积。

43.根据权利要求41所述的催化剂，其中，所述非紧密堆积型晶体结构是体心立方晶体结构。

44.根据权利要求41所述的催化剂，其中，所述纳米颗粒组装体进一步包含第三类型的纳米构件。

45.根据权利要求44所述的催化剂，其中，所述第三类型的纳米构件用非相互作用的核酸序列进行功能化，其中功能化所述第三类型纳米构件的所述非相互作用的核酸序列的浓度为低于约95％。

46.根据权利要求41所述的催化剂，其中，所述核酸序列选自由PNA序列、DNA序列、RNA序列、以及DNA序列和RNA序列组成的组。

47.根据权利要求46所述的催化剂，其中，RNA序列是可操作的以催化化学反应。

48.根据权利要求41所述的催化剂，其中，所述纳米颗粒组装体进一步包含吸附在所述纳米颗粒组装体表面上的无机材料，所述无机材料是可操作的以催化化学反应。

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