CN109534349B - 一种基于框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法，包括以下步骤：合成框架核酸，该框架核酸稳定存在于Mg2+或Ca2+溶液中；提供带有矿物元素的阳离子团簇，所述矿物元素为Si或Ca；该阳离子团簇与框架核酸的磷酸根骨架通过静电吸引力结合，形成核酸无机复合物；解决了有机矿化结构的合成问题。本发明还涉及根据该方法合成的核酸无机复合物，及该核酸无机复合物在制备核酸无机复合物与金属或金属氧化物的复合物中的应用，制备用于测序的二氧化硅纳米孔、制备构型稳定的有机无机多元复合材料或制备用于膜分离技术的多孔材料及制备用于药物靶向运输的介孔二氧化硅中的应用。

Description

一种基于框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法及应用
技术领域
本发明涉及纳米制造领域，具体涉及一种基于框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法及应用。
背景技术
通过对生物硬组织的不断探索，人们已经普遍认识到生物体可以巧妙地运用各种无机矿物来构建具备不同功能(如磁力导航、力学支撑、保护软组织等)的生物矿物。生物体对生物矿物组成、结构、尺寸及形貌的高度调控机制，产生了具备各种令人惊奇的复杂有序结构和特殊功能的有机/无机复合硬组织。例如，一种单细胞光合生物-硅藻，其外壳便是一种由不定性二氧化硅组成的分层多级孔结构，并拥有非常出色的机械性能以保护硅藻细胞。并且，这种精细的外壳骨架结构在多个领域(如污水处理等)都拥有潜在的应用前景。因此，一直以来，人们都试图去合成拥有这样精细结构的无机矿物材料。然而，这种复杂的细胞内矿化过程涉及多种有机、无机成分的协同作用，很难通过简单的化学合成来实现。人们曾经试图提取生物体内的蛋白质，在体外调控合成需要的有序二氧化硅结构，但迄今为止，报道过的最成功的工作也无法合成出类似硅藻外壳的纳米级别高度有序二氧化硅材料。同时，人们也尝试利用其他非化学方法来构建这种结构，比如模板辅助的纳米刻蚀法，但其仅能实现2D尺度上有序二氧化硅材料的构建，3D尺度上无法实现。同时这种技术对模板的稳定性有很高的要求。因此，需要提供一种纳米级别有机矿化结构的合成方法。
发明内容
随着生物技术的快速发展，人们已经证明了多种生物分子如DNA、多肽、纤维素和病毒等，可以用作模板来调控无机矿物材料的合成。由于DNA单双链结构通常比较柔性，因此以往通过DNA模板得到的硅化结构为不可控的微米级大块颗粒，与人们期望的纳米级精细结构相差甚远。最近三十多年来，结构DNA纳米技术获得了长足的发展，已经可以在2D和3D尺度上精确的设计并合成多种形状的DNA纳米结构。由于其结构的精确可控性，因此理论上可以设计出尺寸达到微米甚至毫米级，但纳米尺度上高度有序的DNA纳米结构。同时，由于DNA中磷酸根骨架与矿物材料中阳离子存在静电吸引力，因此，DNA纳米结构与矿物材料便存在天然的吸引力，这就为高度有序矿物材料的合成提供了一条新的思路。
针对现有技术中纳米级别有机矿化结构的合成问题，本发明提供一种框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法及其应用。
根据本发明提供的一种基于框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法，包括以下步骤：S1，提供含有框架核酸的初始溶液，该框架核酸具有连接在磷酸骨架上的Mg2+，该初始溶液为TAE-Mg2+缓冲液；所述Mg2+在初始溶液中的含量介于10-20mM；S2，通过将3-(三甲氧基硅基)丙基-N，N，N-三甲基氯化铵和硅酸四乙酯缓慢地加入浓度为10-20mM的Mg2+的TAE缓冲液中，使3-(三甲氧基硅基)丙基-N，N，N-三甲基氯化铵和硅酸四乙酯分别占TAE缓冲液的体积比为1％-4％，经水解聚合反应后制得含二氧化硅团簇的预水解溶液；S3，将所述框架核酸吸附在基底上，将该基底浸没于预水解溶液中，其中，二氧化硅团簇与Mg2+竞争，进而通过静电吸引力与框架核酸的磷酸骨架结合形成核酸无机复合物；或P1，提供含有框架核酸的初始溶液，该框架核酸具有连接在磷酸骨架上的Ca2+，所述Ca2+在框架核酸中的含量介于3-4mM；该初始溶液为TAE-Ca2+缓冲液；P2，通过将磷酸氢二钠缓慢地加入含浓度为3-4mM的Ca2+的TAE缓冲液中，形成磷酸钙团簇；P3，磷酸钙团簇与框架核酸通过静电吸引力直接结合形成核酸无机复合物。
优选的，该步骤S1具体为通过DNA模块自组装、DNA折纸术或单链模块自组装合成框架核酸。
优选的，该步骤S1中采用M13mp18与phX 174单链DNA作为骨架DNA并一步退火，制得类硅藻外壳框架核酸结构，该类硅藻外壳框架核酸结构是从内朝外多级纳米孔结构，最小的孔为ssDNA围绕而成，理论尺寸为5.4nm；次级孔为2×dsDNA围绕而成，理论尺寸为9.8nm；三级孔为8×dsDNA围绕而成，理论尺寸为82.4nm。
优选的，该步骤S1或P1中采用扣除方块折纸内部一定数量的订书钉链，分别为40条，24条，4条，合成三种纳米孔结构，得到的孔径分别为31×44nm，25×33nm，13×11nm。
优选的，该步骤S1或P1中的框架核酸包括各种1D线形、2D平面及3D立体的DNA纳米结构。
优选的，该步骤S3或P3中反应时间为1-5天。
本发明还提供上述合成方法合成的核酸无机复合物。
优选的，该核酸无机复合物的二氧化硅在核酸骨架的表面，所述二氧化硅的厚度为2-4nm。
优选的，该核酸-无机复合物结构的二氧化硅为无定形二氧化硅；所述核酸-无机复合物结构的磷酸钙为结晶态的羟基磷灰石。
优选的，该核酸无机复合物中二氧化硅纳米孔的最小孔面积为12nm2。
优选的，该基底包括碳支持膜、氮化硅支持膜、单晶硅片或云母片。
优选的，该核酸无机复合物的杨氏模量介于1.0GPa-1.5GPa。
本发明还提供上述核酸无机复合物，在与金属或金属氧化物形成复合物中的应用。
优选的，该核酸无机复合物为核酸二氧化硅复合物、核酸磷酸钙复合物或核酸碳酸钙复合物中的任一种，所述金属为金、银或铜中的任一种，所述金属氧化物为氧化钛、氧化铁或氧化铜中的任一种。
优选的，该核酸无机复合物在制备用于测序的二氧化硅纳米孔、在制备构型稳定的有机无机多元复合材料、在制备用于膜分离技术的多孔材料、或在制备用于药物靶向运输的介孔二氧化硅中的应用。
本发明提供一种框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法及其应用，解决了纳米级别有机矿化结构的合成问题。为有机矿化结构的合成提供了可靠的解决方案，例如二氧化硅、磷酸钙、碳酸钙、氧化铁和其他金属氧化物等多种无机矿物材料。并且，通过分步沉积，可以构建出多层、多成分的有机无机复合材料。借助于框架核酸编码策略高精度的结构还原性，构建出各种固态纳米孔及多孔材料，并可将其应用在单分子测序、膜分离等技术领域。
附图说明
图1示出了实施例1中DNA折纸结构设计图；
图2示出了实施例1制得的DNA折纸结构的AFM表征图；
图3示出了实施例1制得的DNA折纸结构的TEM表征图；
图4示出了实施例1制得的DOS-Diatom的AFM表征图；
图5示出了实施例1制得的DOS-Diatom的TEM表征图；
图6示出了模拟系统的截面图；
图7示出了模拟系统选定区域内不同类型预水解团簇的数量；
图8示出了采用CSDA法获得dsDNA-二氧化硅复合物的SEM表征图；
图9示出了加入高浓度Mg2+后采用CSDA法获得dsDNA二氧化硅复合物的SEM表征图；
图10示出了去除dsDNA后，采用CSDA法获得dsDNA二氧化硅复合物的SEM表征图；
图11示出了加入高浓度Mg2+后去除dsDNA，采用CSDA法获得的dsDNA二氧化硅复合物的SEM表征图；
图12示出了离子诱导生成的二氧化硅的SEM表征图；
图13示出了团簇诱导生成的二氧化硅的SEM表征图；
图14示出了实施例3中三角框架核酸反应前后的示意图；
图15示出了实施例3三角形DNA折纸结构及对应的DOS结构的TEM分析结果；
图16示出了实施例3中三角形DNA折纸结构及对应的DOS结构的AFM分析结果；
图17示出了实施例3中DOS结构的EDS元素分析结果；
图18示出了实施例4中三种不同尺寸的纳米孔示意图(左一)及相应的AFM表征(左二)；相应的硅基纳米孔的TEM结果(左三)；
图19示出了实施例5中各DNA折纸结构的TEM表征图；
图20示出了实施例5中各DOS结构的TEM和SEM表征图；
图21示出了利用基底效应扣除算法的模型与常用的DMT模型；
图22示出了AFM对2D DOS的弹性模量的测试结果；
图23示出了不同反应时间的DOS样品的抗压能力统计图；
图24示出了实施例7中不同反应时间的四面体DOS结构AFM表征图；
图25示出了实施例7中不同施加力下四面体DOS结构的应变量；
图26示出了循环力下四面体DOS样品的高度变化；
图27示出了实施例9中DNA折纸金复合结构的TEM表征图；
图28示出了实施例9中DNA折纸金二氧化硅复合物的TEM表征图；
图29示出了实施例10中的DNA折纸结构的AFM表征图；
图30示出了实施例10中的核酸-无机(磷酸钙)复合物的TEM表征图；
图31示出了实施例10中的核酸-无机(磷酸钙)复合物的局部放大图，示出了核酸-无机(磷酸钙)复合物不同位置的磷酸钙晶体结构。
具体实施方式
下面将结合本申请的具体实施方式，对本申请的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本申请，而不能限制本申请，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本申请可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本发明提供一种基于框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法，包括以下步骤：SS1，提供具有多级孔结构的类硅藻外壳形状的DNA折纸结构(DNA-diatom)也就是核酸框架的溶液。利用DNA来直接模仿硅藻外壳的结构单元，跳过由核酸进行转录翻译成蛋白质再诱导矿物合成的步骤。该硅藻外壳DNA纳米结构具有三级不同尺寸的孔结构，并由不同类型的DNA结构形成。具体地，将订书钉短链、M13mp18长链及phiX 174长链以20:1:1的比例混合，在1×TAE-Mg2+缓冲液(Tris，40mM；乙酸，20mM；EDTA，2mM；和乙酸镁12.5mM；pH 8.0)进行退火，从95℃缓慢降温至25℃即可制得DNA折纸结构的(DNA-diatom)溶液，得到的是从内朝外多级纳米孔结构，最小的孔为ssDNA围绕而成，理论尺寸为5.4nm；次级孔为2×dsDNA围绕而成，理论尺寸为9.8nm；三级孔为8×dsDNA围绕而成，理论尺寸为82.4nm。
SS2，将具有DNA折纸结构的溶液滴至云母基底(或碳支持膜基底)上，形成吸附有DNA折纸结构的云母基底(或碳支持膜基底)。
SS3，分别将3-(三甲氧基硅基)丙基-N，N，N-三甲基氯化铵(TMAPS)和硅酸四乙酯(TEOS)缓慢加入1×TAE-Mg2+缓冲液中，其中，TMAPS和TEOS在1×TAE-Mg2+缓冲液中所占体积比均为2％，25℃磁力搅拌下进行水解-聚合反应，即得含有二氧化硅团簇(Tab clusters)的预水解溶液。由于DNA折纸结构需要高浓度的Mg2+(12.5mM)来稳定，而该二氧化硅团簇能与Mg2+竞争，进而与框架核酸的磷酸背骨架通过静电吸引力结合形成核酸无机复合物，过高含量的TMAPS与TEOS会自发成核，形成大量球形颗粒。
SS4，将吸附有DNA折纸结构的云母基底(或碳支持膜基底)浸没于预水解溶液中形成反应体系，将该反应体系转移至混匀仪中反应3天，基于DNA磷酸骨架上氧负离子与二氧化硅团簇之间的静电相互作用，对矿物进行可控沉积，反应完成后，用乙醇和去离子水冲洗除去过量的预水解液，制得类硅藻外壳形状的DNA折纸二氧化硅复合物(DOS-diatom或称DOS结构)。
应该理解，本实施例中TMAPS和TEOS在1×TAE-Mg2+缓冲液中所占体积比均还可以为1％、1×TAE-Mg2+缓冲液中Mg2+的浓度还可以是10mM、吸附有DNA折纸结构的的云母基底(或碳支持膜基底)浸没于预水解溶液中的反应天数还可以是1天，形成核酸无机复合物。
本实施例中TMAPS和TEOS在1×TAE Mg2+缓冲液中所占体积比均还可以为3％、1×TAE-Mg2+缓冲液中Mg2+的浓度还可以是15mM、吸附有DNA折纸结构的的云母基底(或碳支持膜基底)浸没于预水解溶液中的反应天数还可以是2天，形成核酸无机复合物。
本实施例中TMAPS和TEOS在1×TAE-Mg2+缓冲液中所占体积比均还可以为4％、1×TAE-Mg2+缓冲液中Mg2+的浓度还可以是20mM、吸附有DNA折纸结构的的云母基底(或碳支持膜基底)浸没于预水解溶液中的反应天数还可以是5天，形成核酸无机复合物。
分别对DNA折纸结构及DOS-diatom采用以下方法进行表征。原子力显微镜(AFM)的表征：用Multimode Nanoscope VIII原子力显微镜(Bruker)的Peak Force QNM in fluid扫描模式进行表征。
透射电子显微镜(TEM)的表征：制好的样品用FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN透射电子显微镜，在200kV电压下进行表征。
扫描透射电子显微镜(STEM)的表征：用FEI MAGELLAN 400扫描透射电子显微镜下进行表征。
EDX分析所用检测器是Oxford X-Maxn EDS detector。
采用AFM对DNA折纸结构进行表征，如图1所示，本实施例制得的DNA折纸结构(如图1所示)与所设计的类硅藻外壳(如图2所示)形状一致。
采用TEM对DNA折纸结构进行表征，结果如图3所示，负染的DNA折纸结构形貌模糊，仅能看到扭曲的外侧边，不能看到内侧小孔结构。这在DNA纳米结构的成像领域是一个普遍存在的问题：DNA纳米结构需要在水溶液中才能稳定构象，干燥过程中会由于脱水而造成结构破坏。同时DNA纳米结构为高分子材料，在TEM下对比度较低，无法清晰识别形貌。
采用TEM对DOS-diatom进行表征，结果如图5所示，能明显看到DOS-diatom内侧精细孔结构，其孔直径分别为P为3.4nm和P0为5.5nm，与理论尺寸(5.4nm和9.8nm)接近。此外，AFM高度分析结果显示，二氧化硅生长厚度(h2-h1)为2nm，如图2和图4所示。说明了此方法对二氧化硅生长厚度的调控在纳米级别。这种调控来源于预水解团簇的缓慢形成即TMAPS和TEOS加入浓度及速度的控制，以及团簇与框架核酸缓慢的作用时间为1-5天，使得二氧化硅的厚度可以精确的控制在纳米级别。
基于原始DNA双螺旋的直径和生长二氧化硅的厚度，理论上，本发明能够构建的最小DOS-diatom结构的纳米孔面积为约3×3nm2，本实施例中DOS-diatom结构最小孔的孔面积约为12nm2，这也证实本发明提供方法的精确性，与现有报道利用DNA折纸结构刻蚀的方法得到的最小纳米孔(直径47.8nm2)相比，本发明提供的方法精确性明显更高，可与电子束刻蚀方法相媲美。
实施例2
通过分子动力学(MD)模拟，探究本发明提供的合成方法在制备DOS复合结构上的重要性，并通过对照试验进行验证。利用198bp的3D DNA折纸结构作为分子动力学模拟的模型，以DNA折纸结构为中心向外延伸得到一个区域，对此区域内的二氧化硅团簇数量进行统计分析。图6为模拟系统的截面图；图7为选定区域内不同类型二氧化硅团簇的数量。当二氧化硅团簇中TMAPS的数量大于3时，选定区域的二氧化硅团簇数量就会超过溶液中二氧化硅团簇的平均数量。这是由于DNA折纸结构需要高浓度的Mg2+来维持其结构稳定，因此单个TMAPS无法将Mg2+竞争下来。只有当TMAPS达到一定数量后，二氧化硅团簇才能克服高Mg2+的阻碍作用，并吸附到DNA折纸结构周围，从而成功实现DOS反应。
对比实施例1
在dsDNA体系中加入12.5mM的Mg2+，并重复之前报道的CSDA法获得dsDNA二氧化硅复合物(Jin C,Qiu H,Lu H,et al.DNA transcription into diverse porous silicasby a co-structure directing route:chiral,ring and ordered nanochannel arrays.[J].Chemical Communications,2009,23(23):3407-3409.)，使用TEM，SEM进行表征。结果如图8所示，合成大量线条状二氧化硅结构，与报道符合。
图9为在dsDNA体系中加入高浓度的Mg2+后，按照同样的方法进行反应，得到的却是大量的球形二氧化硅颗粒。
图10-11为将dsDNA删除，按照同样的方法，探究球形二氧化硅颗粒是否为dsDNA与二氧化硅反应得到的结果。结果发现在没有dsDNA的情况下，仍然得到大量的球形二氧化硅，说明相对于无Mg2+的反应体系，如图10所示；高Mg2+体系仅能生成大量球形二氧化硅颗粒，如图11所示，并没有DNA调控形成的二氧化硅结构。这是由于Mg2+阻碍了DNA与TMAPS的桥联作用，使DNA无法成为异相成核位点来调控二氧化硅的合成。
所以需要通过控制TMAPS，TEOS的浓度及加入方法克服Mg2+的阻碍作用，这对DOS合成过程至关重要。通过实验以及模拟发现，只有TMAPS与TEOS的浓度达到一定范围内时，才能形成能够竞争Mg2+的阳离子团簇。同时，由于TMAPS，TEOS在水溶液中的快速水解-聚合特性，以及框架核酸的机械稳定性较差的问题，将阳离子团簇的形成过程和阳离子团簇与框架核酸的作用过程分开进行，首先将TMAPS，TEOS缓慢的加入到TAE-Mg2+buffer中使其体积比为1％-4％，形成稳定的可以竞争Mg2+的二氧化硅团簇，然后再将此团簇与框架核酸进行作用，避免了系统的混乱造成的生长过程不可控问题(比如生长厚度的均匀性，纳米可控性)，以及框架核酸无法忍受水解过程的高速机械搅拌问题，在解决高浓度Mg2+阻碍作用的同时，又对反应的过程做到了高度可控，实现了纳米级的生长厚度调节，并具有很好的通用性，对折纸结构自身的稳定性没有任何苛刻的要求。
对比实施例2
本实施例与实施例1类似，区别在于在步骤SS3中将TMAPS与TEOS快速加入到1×TAE-Mg2+中而不进行充分的水解，并将吸附有三角DNA折纸结构的碳支持膜倒扣在溶液上进行离子诱导反应。同时采用框架核酸编码策略进行对照。结果如图12-13所示，与利用框架核酸编码策略成功合成目标形貌的DOS结构(如图13所示)相比，前者仅能生成形貌基本丢失的二氧化硅(如图12所示)。说明了本发明提供的合成方法对DOS起到至关重要的作用。
因此，将一定浓度下的TMAPS，TEOS缓慢加到TAE-Mg2+中，形成稳定的二氧化硅团簇后，再利用此二氧化硅团簇与框架核酸进行作用，而不是缓慢加入到框架核酸直接发生作用至关重要。
实施例3
通过对三角形DNA折纸-二氧化硅复合物的生长动力学分析，说明了此方法可以实现对DNA折纸结构进行精确复制。
TEM统计结果显示，如图14所示，是三角框架核酸反应前后TEM示意图，在TEM观察下，其几何形状高度一致。如图15所示，三角形的DNA折纸结构及对应的DOS结构的平均边长分别为120.2±2.3nm和122.9±4.1nm，后者边长仅增加约2.7nm，说明了框架核酸编码策略对DNA折纸结构的高度还原性。同时，两者的边宽W分别为22.6±1.5nm和25.9±1.4nm，与三角形的DNA折纸结构的理论边宽(26nm)相比，单纯DNA折纸结构的边发生了3.4nm的收缩，而对应DOS结构的边宽与理论值基本符合。这是由于三角形的DNA折纸结构在气相下发生收缩，导致边宽减小；而由于二氧化硅的支撑作用，DOS结构不会因脱水而变形。从而，可以借助框架核酸编码策略精确控制目标DOS结构的尺寸。如图16所示，AFM高度分析结果显示，反应5天后二氧化硅生长厚度为3.1nm。说明该制备过程反应5天达到饱和状态。EDS元素分析结果，如图17所示，二氧化硅均匀生长在DNA折纸结构的表面。说明了本发明提供的合成方法可以使二氧化硅平滑的生长在DNA表面，在可控厚度的同时，对表面的粗糙度同时进行了控制，这得益于DNA折纸结构相对于普通双链DNA刚性上的显著提升，并因此造成的表面电荷均匀稳定的分布，使得二氧化硅可以均匀的在DNA折纸结构的表面进行沉积。
实施例4
由于该方法在复制DNA折纸结构时具有高精确性，本实施例与实施例1类似区别在于步骤SS1：设计并合成具有31×44nm、25×33nm、13×11nm孔尺寸的方块DNA折纸纳米孔，具体为删除方块DNA折纸结构中心相应数量(40条，24条，4条)的订书钉链得到具有不同孔尺寸的方块DNA折纸纳米孔。步骤SS4中得到了以方块DNA折纸纳米孔为模板的不同尺寸硅基纳米孔。
通过反应，得到了以方块DNA折纸纳米孔为模板的不同尺寸硅基纳米孔。如图18所示，为实施例4中三种不同尺寸的纳米孔示意图(左一)及相应的AFM表征(左二)；相应的硅基纳米孔的TEM结果(左三)。此硅基纳米孔借助了DNA折纸结构在孔径设计上的精确性及重复性，又通过二氧化硅克服了DNA折纸结构本身存在的稳定性问题以及在DNA测序时与目的DNA相互排斥问题，实现了大通量、高精度的合成10nm级硅基纳米孔。TEM结果显示，DNA折纸结构的纳米孔的孔面积分别为639.9nm2，283.8nm2，和103.6nm2，其对应的DOS结构的孔面积分别为608.8nm2，255.7nm2和87.5nm2，相应孔径分别为P3 27.8nm，P2 18.4nm和P1 10.6nm。因此，通过DOS方法，可以精确的设计并合成出二氧化硅固态纳米孔，且孔径在10nm以内，可以与光刻技术相媲美，且在重复性、大通量制备等方面明显优于光刻技术，证明了此方法在固态纳米孔制备领域拥有极大的应用前景。
说明通过核酸框架编码策略，成功实现了三种不同尺寸DOS纳米孔的设计及合成。
实施例5
设计并合成矩形、三角形、十字及2D蜂窝形状的DNA折纸二氧化硅复合物；3D构型的DNA折纸二氧化硅复合物，包括立方体、四面体、半球、螺旋管及椭球体形状的。传统的化学法合成二氧化硅时(stober法)，由于球形颗粒在热力学上是最稳定的形状，因此传统合成的二氧化硅以及多种无机纳米材料都倾向于形成球形纳米颗粒，造成了人们很难合成具有各向异性的非球形二氧化硅比如片状、线框以及多种半球椭球类纳米颗粒。
实施例5与实施例1类似，区别在于步骤SS1，提供2D形状的DNA折纸结构包括矩形、三角形、十字及2D蜂窝形状的DNA折纸结构；3D构型的DNA折纸结构，包括立方体、四面体、半球、螺旋管及椭球体形状的DNA折纸结构。步骤SS4中获得各DNA折纸结构对应的DOS-diatom结构。
利用DOS方法，本发明证实了框架核酸二氧化硅纳米颗粒在形貌控制上的普遍通用性。可以用来构建矩形、三角形、十字及2D蜂窝形状，3D构型的包括立方体、四面体、半球、螺旋管及椭球体形状的框架核酸二氧化硅复合物。并通过对3D DOS结构的形貌分析，证明了二氧化硅在维持DNA 3D构型上的作用，能够克服DNA本身的柔性，更加真实的且稳定的还原框架核酸真实的形貌。
使用TEM对DNA折纸结构进行表征，结果如图19所示，由于DNA分子刚性较差，单纯的DNA折纸结构在气相下的结构会发生变形，尤其是3D DNA折纸结构发生了明显的坍塌。
使用TEM和STEM对获得的DOS结构进行表征。结果如图20所示，由于二氧化硅的支撑作用，DOS的结构能最大程度的保留原2D和3D形貌的DNA折纸结构。
统计不同形貌的DNA折纸结构利用框架核酸编码策略反应生成的未变形DOS结构的量占总的反应生成的DOS结构量之比。统计结果如表1所示，不同形貌DNA折纸结构反应生成DOS的产率均在38％～66％之间。这是由于合成DNA折纸结构的产率差别较大，且不同DNA折纸结构的刚性不同，因此利用框架核酸编码策略反应后产率差异较大。
表1不同形貌的DOS结构产率
Figure BDA0001847599090000121
实施例6
由于越来越多的人将本属于生物类物质的DNA应用到材料领域，因此其机械性能上的表现成为人们关心的问题。由于DNA结构问题，注定其在硬度及韧性上要明显差于无机材料。通过框架核酸编码策略，DNA纳米结构可以通过引入无机二氧化硅来显著提升其结构的机械性能。利用AFM peakforce在纳米尺度上对DNA纳米结构及DOS结构的硬度、抗压性及可恢复性进行了定量的分析，并首次对AFM下超薄样品的硬度测量偏差问题，提供了详细的修正策略，得到了更加精确的框架核酸及DOS结构的硬度数值。证明了DOS结构在机械性能上的显著提升，大大的扩展了DNA纳米结构在无机材料领域的应用。
本实施例与实施例1类似区别在于在步骤SS4中，将吸附有DNA折纸结构的云母基底浸没于预水解溶液中形成反应体系，将该反应体系转移至混匀仪中反应，控制反应时间为1-5天，得到上述反应时间点的三角形的DOS结构。
然后，对上述三角形的DNA-diatom结构在AFM PeakForce in Fluid模式下进行扫描，获得力-距离曲线，并采用膜基底效应校正法(MSEC)，综合考虑基底效应和DMT模型，对力-距离曲线进行分析，得到杨氏模量数据并进行统计分析。
由于DOS高度很低，在5nm以下，而AFM模量计算时必须使压入深度大于等于2nm时，才不会有较大的误差；因此造成压入深度接近样品高度，造成了基底对样品的模量产生影响，这是现在2D材料进行模量测定时都会遇到的问题。本发明提供一种基底效应扣除算法，将基底的影响削减掉，得到了可靠的杨氏模量数值。如图21所示，利用基底效应扣除算法与常用的DMT模型相对比，得到的模量数值更加稳定，不会随着压入深度的变化而变化。而DMT模型得到的数值会依赖于压入深度，得到的是不真实的模量结果。
如图22所示，使用AFM对2D DOS的弹性模量进行测量，结果显示，单纯DNA折纸结构的平均杨氏模量为100Mpa，而相应反应1天、5天的DOS结构的平均杨氏模量分别为1.0GPa和1.2GPa，机械性能提高了10倍，说明了框架核酸的硬度得到了极大的提升。
在AFM下对DNA折纸结构及DOS结构施加不同力，通过测量不同反应时间下结构的高度变化，对结构的抗破坏性进行研究，如图23所示，通过对不同反应时间的DOS样品利用不同AFM力进行扫描。发现DOS样品的抗压能力得到明显提升，通过统计分析，发现反应5天的DOS样品的高度不会因施加力的增大而减小，单纯DNA折纸结构在1600pN时就发生严重破坏；而对于反应1d得到的DOS结构，虽然其高度随着力的增加不断减小，但其减小的速率明显小于单纯DNA折纸结构，说明其抗破坏性得到了一定的提升；对于反应5d得到的DOS结构，即使施加的力达到3000pN，结构高度仍不会发生明显变化，说明其抗破坏性得到了明显的提升。说明DNA折纸结构表面的二氧化硅对DNA起到了显著的保护作用,极大地提升了框架核酸的抗压能力
实施例7
实施例7与实施例1类似，区别在于步骤SS1，提供3D四面体DNA折纸结构溶液。在步骤SS4中，将吸附有DNA折纸结构的云母基底浸没于预水解溶液中形成反应体系，将该反应体系转移至混匀仪中反应，控制反应时间为0天、1天、2天和5天，获得对应的四面体的DOS结构。
在AFM扫描中对上述不同反应时间制得的四面体DOS结构施加不同的力。通过测量各个结构的高度，并进行统计分析，如图24，不同时间四面体DOS样品的AFM成像结果所示。随着反应时间延长，四面体DOS结构的高度逐渐提高，反应第0天、第1天、第2天和第5天对应的DOS结构的高度分别为16.5nm、22.9nm、39.7nm、52.1nm，反应1d后便能看到四面体的完整形貌。反应5d后，其高度达到50nm以上，接近理论高度，抗压能力明显提升，证明二氧化硅能显著提高3D DNA四面体的刚性。
当施加的力逐渐增大时，其形变逐渐增大，如图25所示，且这种变化呈线性关系，对四面体DOS结构在不同力下的形变量进行统计，说明四面体DOS结构的形变为弹性形变，进而说明理论上四面体DOS结构应该可以恢复到原始形貌而没有能量损失。之后，在四面体DOS上循环施加1.0nN和3.0nN的力，进一步研究其弹性性质。如图26所示，在1.0nN和3.0nN力循环下，四面体DOS结构至少能维持5个形变-恢复的循环，这是因为外层二氧化硅优异的刚性，使其不会被轻易的压扁；同时，内层有16个螺旋的DNA折纸结构拥有很好的柔性，使四面体DOS结构能在未被完全破坏前完成多次恢复循环。这使得四面体DOS结构在拥有DNA折纸结构可设计特性的同时，又获得了二氧化硅优异的机械性质。
实施例8
利用DOS法构建DNA折纸二氧化硅金复合材料，包括以下步骤：
PP1，提供3D四面体DNA折纸金复合结构。具体地，提供3D四面体DNA折纸结构，然后将2个金纳米棒(80×15nm)进行巯基DNA修饰后，分别组装在四面体DNA折纸结构的底边和侧棱上，形成四面体DNA折纸金复合结构。
PP2，取DNA折纸金复合结构溶液滴至基底上，形成吸附有DNA折纸金复合结构的云母基底。
PP3，分别将3-(三甲氧基硅基)丙基-N，N，N-三甲基氯化铵TMAPS和硅酸四乙酯TEOS缓慢加入1×TAE-Mg2+缓冲液中，于25℃磁力搅拌下进行水解-聚合反应，即得含有二氧化硅团簇(Tab clusters)的预水解溶液。
PP4，将吸附有DNA折纸金复合结构的基底浸没于预水解溶液中形成反应体系，将该反应体系转移至混匀仪中反应，反应完成后，用乙醇和去离子水冲洗除去过量的预水解液，DNA折纸金二氧化硅复合物制备完成。
用STEM和TEM对DNA折纸金复合结构和DNA折纸金二氧化硅复合物进行表征，结果如图27所示，DNA折纸金复合结构在气相下明显坍塌，而DNA折纸二氧化硅金复合结构可以维持其正确构型，如图28所示。
此处首先利用了二氧化硅的支撑作用，显著提高了DNA的刚性和稳定性，使得DNA金三维复合材料可以维持其真实的三维构象，解决了以DNA纳米结构作为模板来进行纳米构建领域的核心问题。同时，这里构建得到的DNA折纸金二氧化硅复合物并不仅限于这些材料，二氧化硅可以进行多种无机材料的包覆，同时也可以很容易使用其他金属来替换金(已报道的方法)。因此，DOS法可以用来构建多种有机无机多元复合材料。
实施例9
PPP1，提供三角DNA折纸，该三角DNA折纸具有连接在磷酸骨架上的Ca2+，所述Ca2+在框架核酸溶液中的含量介于3-4mM；具体地，将订书钉短链、M13mp18长链以10:1的比例混合，在Tris-CaCl2缓冲液(Tris，20mM；CaCl2,3-4mM；pH 8.0)进行退火，从95℃缓慢降温至25℃即可制得DNA折纸结构的溶液，该DNA折纸结构如图29所示；该三角DNA折纸与实施例3中的三角折纸一样，差别在于溶液中稳定折纸结构的阳离子为Ca2+。由于Mg2+对磷酸钙的结晶有抑制作用，因此这里采用Ca2+来合成DNA折纸。
PPP2，通过将磷酸氢二钠缓慢地加入含浓度为3-4mM的Ca2+的TAE缓冲液中，形成磷酸钙团簇；
PPP3，磷酸钙团簇与框架核酸通过静电吸引力直接结合形成核酸无机复合物，该核酸无机复合物具有三角折纸形貌特征的晶体结构，如图30所示：磷酸钙在三角折纸上沉积并结晶，首先在三个角沉积，逐渐向中间生长，最后形成的核酸-磷酸钙复合物还原了三角折纸的形貌特征，并且晶体结构呈现区域差异：角上与中间区域的磷酸钙晶体结构不相同，如图31所示，说明了DNA折纸在控制磷酸钙晶体形貌的同时，又对其晶体类型进行了控制，实现了各项异性的晶体生长。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (15)

1.一种基于框架核酸编码的有机矿化结构的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，提供含有框架核酸的初始溶液，该框架核酸具有连接在磷酸骨架上的Mg2+，所述Mg2+在初始溶液中的含量介于10-20 mM；
S2，通过将3-(三甲氧基硅基)丙基-N，N，N-三甲基氯化铵和硅酸四乙酯缓慢地加入浓度为10-20 mM的Mg2+的TAE缓冲液中，使3-(三甲氧基硅基)丙基-N，N，N-三甲基氯化铵和硅酸四乙酯分别占TAE缓冲液的体积比为1%-4%，经水解聚合反应后制得含二氧化硅团簇的预水解溶液；
S3，将所述框架核酸吸附在基底上，将该基底浸没于预水解溶液中，其中，二氧化硅团簇与Mg2+竞争，进而通过静电吸引力与框架核酸的磷酸骨架结合形成核酸无机复合物；
其中，二氧化硅团簇的形成过程和二氧化硅团簇与框架核酸的作用过程分开进行以实现精确控制；
或
P1，提供含有框架核酸的初始溶液，该框架核酸具有连接在磷酸骨架上的Ca2+，所述Ca2+在初始溶液中的含量介于3-4 mM；
P2，通过将磷酸氢二钠缓慢地加入含浓度为3-4 mM的Ca2+的TAE缓冲液中，形成磷酸钙团簇；
P3，磷酸钙团簇与框架核酸通过静电吸引力直接结合形成核酸无机复合物；
其中，磷酸钙团簇的形成过程和磷酸钙团簇与框架核酸的作用过程分开进行。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤S1或P1具体为通过DNA模块自组装、DNA折纸术或单链模块自组装合成框架核酸。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤S1或P1中采用M13mp18与phiX 174单链DNA作为骨架DNA并一步退火，制得类硅藻外壳框架核酸结构，该类硅藻外壳框架核酸结构是从内朝外多级纳米孔结构，最小的孔为ssDNA围绕而成，理论尺寸为5.4nm；次级孔为2×dsDNA围绕而成，理论尺寸为9.8 nm；三级孔为8×dsDNA围绕而成，理论尺寸为82.4 nm。
4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤S1或P1中采用扣除方块折纸内部一定数量的订书钉链，分别为40条，24条，4条，合成三种纳米孔结构，得到的孔径分别为31×44 nm，25×33 nm，13×11 nm。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤S1或P1中的框架核酸包括各种1D线形、2D平面及3D立体的DNA纳米结构。
6.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤S3或P3中反应时间为1-5天。
7.一种根据权利要求 1-6中任意一项所述的合成方法合成的核酸无机复合物。
8.根据权利要求7所述的核酸无机复合物，其特征在于，所述核酸无机复合物的二氧化硅在核酸骨架的表面，所述二氧化硅的厚度为2-4 nm。
9.根据权利要求7所述的核酸无机复合物，其特征在于，所述核酸-无机复合物结构的二氧化硅为无定形二氧化硅；所述核酸无机复合物结构的磷酸钙为结晶态的羟基磷灰石。
10.根据权利要求7所述的核酸无机复合物，其特征在于，所述核酸无机复合物中二氧化硅纳米孔的最小孔面积为12 nm2。
11.根据权利要求7所述的核酸无机复合物，其特征在于，所述基底包括碳支持膜、氮化硅支持膜、单晶硅片或云母片。
12.根据权利要求7所述的核酸无机复合物，其特征在于，所述核酸无机复合物的杨氏模量介于1.0 GPa -1.5 GPa。
13.一种根据权利要求7-12中任一项所述的核酸无机复合物在形成核酸无机复合物与金属或金属氧化物的复合物中的应用。
14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于，所述核酸无机复合物为核酸二氧化硅复合物或核酸磷酸钙复合物，所述金属为金、银或铜中的任一种，所述金属氧化物为氧化钛、氧化铁或氧化铜中的任一种。
15.一种根据权利要求7-12中任一项所述的核酸无机复合物，在制备用于测序的二氧化硅纳米孔、在制备构型稳定的有机无机多元复合材料、在制备用于膜分离技术的多孔材料、或在制备用于药物靶向运输的介孔二氧化硅中的应用。
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