CN113458383A - 有序金立方纳米簇以及有序金立方纳米簇的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有序金立方纳米簇以及有序金立方纳米簇的制备方法，属于DNA纳米技术领域。有序金立方纳米簇包括DNA折纸单体与金立方单聚体，DNA折纸单体上设有捕获链和连接边链，捕获链用于连接金立方单聚体；连接边链包括特定序列的黏性末端，用于以互补连接的方式将多个DNA折纸单体组装成DNA折纸框架。本发明的DNA折纸单体通过特定序列的黏性末端互补实现连接，组装成预设形状的DNA折纸框架，解决了DNA折纸技术构建平台时的尺寸缺陷，进一步的，通过在DNA折纸单体上连接金立方单聚体，形成预设形状的有序金立方纳米簇；同时，DNA折纸框架还具备手形，辅助杂交其他纳米粒子得到具有耦合效应的聚集体，可能得到在宏观尺度内无法得到的特殊光学现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种有序金立方纳米簇以及有序金立方纳米簇的制备方法，属于DNA纳米技术领域。
背景技术
目前，自下而上地将纳米级别物体自组装成预设形状的结构是纳米领域非常重要的一个方向，这意味着人类可以跨越尺度的概念，在微观层面上对纳米尺度的颗粒进行精确调控，而由此构建出的多种有序的纳米材料在很多光学性能上会优于传统材料，有可能带来一个产业的革新。
DNA纳米技术是近年来新兴的交叉学科。1982年，Nadrian Seeman教授创新性地提出了一个概念：可否利用DNA的特异性碱基互补配对能力自组装成分枝状的纳米结构，这标志着DNA纳米技术的诞生。2006年Rothmund提出了一种新的自组装策略，其基本思路是将一条长的DNA单链(M13mp18)折叠成特定的形状，用很多条短的“订书钉链”杂交来固定该形状，这称为DNA折纸(DNA origami)技术，它是DNA纳米技术的里程碑，这一技术吸引了来自化学、生物学、材料科学等不同研究领域科学家的广泛关注。短短几年时间内，基于DNA折纸术的研究已经有了令人瞩目的发展，令人眼花缭乱的纳米图形和纳米结构应运而生，充分展示出了DNA折纸自组装技术的优势。
DNA纳米技术旨在以最高的准确性和控制力来组织物质，这种控制将形成纳米电子学、纳米机器人学、可编程化学合成、支架式晶体以及对环境作出响应的纳米级系统。结构DNA纳米技术是实现这一目标的最有力途径之一，它结合了强大的分支型DNA，这些DNA具有可编程的粘性末端以及亲和控制力，它的成功包括物质的形成：2D晶体、3D晶体、纳米机械装置以及这些物质的各种组合。然而，对于复杂的超级结构体而言，传统的纳米级制造方法可重复性低、耗时多、复杂度高，不能真正达到纳米级的精确控制，而且，一些结构和功能多样的纳米分子装置和机器会受到构建平台大小的限制和影响。
有鉴于此，确有必要提出一种基于DNA折纸技术的超级组装方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有序金立方纳米簇以及有序金立方纳米簇的制备方法，该方法基于DNA折纸技术可以超级组装成任意形状的分子组装体。
为实现上述目的，本发明提供了一种有序金立方纳米簇，所述有序金立方纳米簇包括DNA折纸单体与金立方单聚体，所述DNA折纸单体上设有捕获链和连接边链，所述捕获链用于连接所述金立方单聚体；所述连接边链包括特定序列的黏性末端，用于以互补连接的方式将多个所述DNA折纸单体组装成DNA折纸框架。
作为本发明的进一步改进，所述DNA折纸单体为十字形DNA折纸单体，所述连接边链设置在所述十字形DNA折纸单体的边缘，且所述十字形DNA折纸单体的至少一端设置有所述连接边链。
作为本发明的进一步改进，所述连接边链设有六种，六种所述连接边链通过特定序列的黏性末端互补，以形成三套连接双链，多个所述DNA折纸单体之间形成至少一套连接双链。
作为本发明的进一步改进，所述DNA折纸单体包括A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体，所述A型DNA折纸单体旋转90°得到B型DNA折纸单体。
作为本发明的进一步改进，所述A型DNA折纸单体左右特定序列的黏性末端与所述B型DNA折纸单体左右特定序列的黏性末端互补实现连接，所述A型DNA折纸单体上下特定序列的黏性末端与所述B型DNA折纸单体上下特定序列的黏性末端互补实现连接。
为实现上述目的，本发明还提供了一种有序金立方纳米簇的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备DNA折纸单体，所述DNA折纸单体包括A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体；
S2、将A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体混合后退火，得到DNA折纸框架；
S3、制备金立方单聚体；
S4、将金立方单聚体分别与A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体组装，以分别得到A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体；
S5、将A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体混合后退火得到有序金立方纳米簇。
作为本发明的进一步改进，步骤S1具体为：将骨架链、订书钉链以及修饰链按比例混合均匀，置于聚合酶链式反应仪中，以0.1℃/10s的速率从95℃到20℃退火，超滤纯化处理后得到DNA折纸单体。
作为本发明的进一步改进，步骤S2具体为：将所述A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体按比例混合均匀，55℃水浴退火至室温后得到DNA折纸框架。
作为本发明的进一步改进，步骤S4具体为：使用所述金立方单聚体分别与A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体组装，从45℃到30℃反复退火四次直到降至4℃，纯化后分别得到A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体。
作为本发明的进一步改进，步骤S5具体为：所述A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体混合均匀后，从55℃到25℃自然退火，得到有序金立方纳米簇。
本发明的有益效果是：本发明的DNA折纸单体通过特定序列的黏性末端互补实现连接，组装成预设形状的DNA折纸框架，解决了DNA折纸技术构建平台时的尺寸缺陷，进一步的，通过在DNA折纸单体上连接金立方单聚体，形成预设形状的有序金立方纳米簇；同时，DNA折纸框架还具备手形，辅助杂交其他纳米粒子得到具有耦合效应的聚集体，可能得到在宏观尺度内无法得到的特殊光学现象。
附图说明
图1是本发明中形成各向异性的A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体的示意图。
图2是图1中A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体组装形成DNA折纸框架的设计图。
图3是图2中DNA折纸框架的原子力显微镜表征图。
图4是本发明中金立方单聚体与DNA折纸单体组装形成DNA折纸-金立方单聚体的示意图。
图5是图4中A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体的琼脂糖凝胶电泳图。
图6是图4中A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体混合形成TE-T型有序金立方纳米簇的示意图。
图7是图6中TE-T型有序金立方纳米簇的透射电子显微镜表征图。
图8是本发明中有序金立方纳米簇的透射电子显微镜表征图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种有序金立方纳米簇以及有序金立方纳米簇的制备方法，主要包括如下步骤：
S1：制备具有各向异性且种类不同的DNA折纸单体。
请参阅图1所示，将骨架链、订书钉链以及修饰链退火后形成DNA折纸单体，其中，DNA折纸单体为十字形DNA折纸单体，且DNA折纸单体包括A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体，A型DNA折纸单体旋转90°得到B型DNA折纸单体；骨架链为噬菌体M13mp18的单链DNA；订书钉链为176条除去边链和修改链的脚手架链；修饰链包括8条捕获链以及若干条连接边链，其中，8条捕获链为5’修饰polyA的脚手架链，用于捕获金立方单聚体；连接边链包括特定序列的黏性末端，且十字形DNA折纸单体的至少一端设置有连接边链，以形成不同种类的DNA折纸单体。
本实施例中，连接边链设有六种，分别定义为：1、1'、2、2'、3以及3'，其中，六种连接边链通过特定序列的黏性末端互补连接，以形成三套连接双链，具体的，1与1'可以互补形成一套连接双链、2与2'可以互补形成一套连接双链、3与3'可以互补形成一套连接双链，以实现DNA折纸单体的各向异性，当然，在其他实施例中，可以根据实际情况设置多种连接边链，只要能够实现连接边链通过特定序列的黏性末端互补连接形成连接双链的目的即可。
本实施例中，A型DNA折纸单体左右特定序列的黏性末端与B型DNA折纸单体左右特定序列的黏性末端互补实现连接，A型DNA折纸单体上下特定序列的黏性末端与B型DNA折纸单体上下特定序列的黏性末端互补实现连接，具体的，A型DNA折纸单体上的连接边链为1、2、3中的一种或几种，B型DNA折纸单体上的连接边链为1'、2'、3'中的一种或几种。
本实施例中，连接边链包括六条特定序列的黏性末端，以实现多个DNA折纸单体之间稳定连接，当然，在其他实施例中，连接边链上可以设置多条特定序列的黏性末端，只要能够实现多个DNA折纸单体之间的稳定连接即可。
具体步骤为：
S11：将骨架链、订书钉链以及修饰链按照1:10:10的摩尔比进行混合，即加入的体积分别为2.5μL、5μL、5μL，随后加入10μL 10×TAE/Mg2+缓冲液(Mg2+浓度为12.5mol/L)，补超纯水至最终体积为100μL，震荡摇匀。
S12：将S11中的混合溶液置于PCR仪(聚合酶链式反应仪)中以0.1℃/10s的速率从95℃到20℃退火。
S13：纯化处理退火后的产物，以除去多余的DNA短链。
S14：将S13得到的样品置于100kDa超滤管中进行超滤纯化，并补充1×TAE/Mg2+(配比为：40mM三羟基甲基氨基甲烷，20mM醋酸，2mM乙二胺四乙酸二钠以及12.5mM醋酸镁)缓冲溶液至400μL。在3000g的条件下离心10分钟，每次离心结束后弃滤液，并补充1×TAE/Mg2+缓冲液至400μL，重复离心三次后，将超滤管倒扣在1.5mL的离心管中，在1000g的条件下离心10分钟，收集滤液，即A、B型DNA折纸单体，分别为：AR3、AR1、AU2R1、AR1L1、AD2、BL3'D2'、BL1'、BU2'L1'、BR1'U2'L1'、BD2'……，将滤液在4℃的条件下放置待用。
本实施例中仅列举十种类型的A、B型DNA折纸单体，但不应以此为限，只要DNA折纸单体具有各向异性且种类不同即可。例如，还可以包括AR1L3、AR3D2、AU2L3、AU2R3、BL1'R3'、BL3'等其它类型的DNA折纸单体。
S15：使用超微量分光光度仪定量每种DNA折纸单体，以得到吸光度值A260。
S2：将A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体混合后退火，制备不同种类的所述DNA折纸框架，用以初步验证该制备方法的合理性。
请参阅图2所示，按设计比例将所需DNA折纸单体混合，在溶液中特定序列的黏性末端进行互补配对，本实施例中，仅列举了七种预设形状的DNA折纸框架，分别为：TE-I、TE-T、TE-O、TE-Z、TE-S、TE-L和TE-J，当然，在其他实施例中，也可以形成其他预设形状的DNA折纸框架，对DNA折纸框架的形状不作限定。
其中，AR1、BL1'R3'、AR1L3和BL1'按1:1:1:1的比例混合后退火得到TE-I型DNA折纸框架。
AR1、BR1'U2'L1'和AD2按2:1:1的比例混合后退火得到TE-T型DNA折纸框架。
AU2R1和BU2'L1'按2:2的比例混合后退火得到TE-O型DNA折纸框架。
AR3、BL3'D2'、AU2R1和BL1'按1:1:1:1的比例混合后退火得到TE-Z型DNA折纸框架。
AR3D2、BL3'、AR1和BU2'L1'按1:1:1:1的比例混合后退火得到TE-S型DNA折纸框架。
AU2L3、BD2'、AU2R3和BD2'按1:1:1:1的比例混合后退火可以得到TE-L型DNA折纸框架和TE-J型DNA折纸框架，且TE-L型DNA折纸框架与TE-J型DNA折纸框架互为手形框架。
其具体步骤为:
S21：按照每种DNA折纸框架的形状结构，在1×TAE/Mg2+缓冲溶液中，将对应的DNA折纸单体按照摩尔比例进行混合。
S22：将S21中的混合溶液放入55℃水浴中孵育，待水自然冷却至室温，约13h即可形成预设形状的DNA折纸框架。
请参阅图3所示，在S22所得的样品中取5μL滴在平整的新剥离云母片上，吸附2min后，用超纯水冲洗，再用洗耳球轻轻往一个方向吹干，随后在原子力显微镜的气相条件下观察，用以验证S22中得到的预设形状的DNA折纸框架，图3中包括本实施例中的七种形状的DNA折纸框架。
其中，原子力显微镜的型号以及扫描时设置的参数为：多模式8型原子力显微镜(NanoScope 5型控制器，Bruker公司)；采用型号为TESPA-V2的探针在轻敲模式下进行扫描，扫描范围为3μm，扫描频率为1HZ，扫描分辨率为384。
S3、制备金立方单聚体。
将规格为50nm的金立方纳米颗粒离心浓缩后，在缓冲液环境下，加入巯基DNA单链，以加盐(NaCl)的老化方式完成巯基DNA单链和金立方纳米颗粒的组装，得到表面布满巯基DNA单链的金立方纳米颗粒，即金立方单聚体。
其具体步骤为：
S31：在1.5mL离心管中放入800μL50nm的金立方纳米颗粒，在5000rpm的条件下离心10min，去除上清液后，向离心管中加入370μL的超纯水、5μL SDS(1％)稳定剂以及10μL巯基DNA单链，振荡混匀。
S32：将S31中的样品置于混匀仪中，在37℃、300rpm的条件下孵育6小时。
S33：向S32孵育后的样品中加入50μL 5×TBE(89mM三羟甲基氨基甲烷，89mM醋酸，2mM乙二胺四乙酸二钠，pH为8.0)缓冲溶液，振荡混匀。
S34：30分钟后，将50μL 3M的NaCl溶液分四次加入S33的混合溶液中，将3M的NaCl溶液分别按5、10、15、20μL的体积加入，且每次间隔30分钟，在37℃的条件下保温过夜。
在混合溶液中分步加NaCl溶液，一方面是为了使得巯基DNA单链能够组装在金立方纳米颗粒表面；另一方面是为了达到“老化”的目的，减少金立方纳米颗粒表面和巯基DNA单链之间的吸附作用，以使得巯基DNA单链倾向于直立在金立方纳米颗粒的表面，从而提高巯基DNA单链的组装量。
S35：将S34得到的样品在5000rpm的条件下离心10min，重复离心四次，每次离心后弃上清液，并补加0.5×TBE(45mM三羟甲基氨基甲烷,45mM醋酸,1mM乙二胺四乙酸二钠,pH为8.5)至500μL。第四次离心后弃上清液，得到金立方单聚体。
S4、将金立方单聚体分别与A型、B型DNA折纸单体组装，以分别得到A型、B型DNA折纸-金立方单聚体。
请参阅图4所示，具体步骤为：
S41：将S15中所得A型、B型DNA折纸单体分别与过量的S35中所得的金立方单聚体混合，45℃到30℃反复退火4次最后降到4℃。
S42：请参阅图5所示，配置0.8％的琼脂糖凝胶，对S41得到的产物在90v电压下进行电泳，电泳90分钟后将组装产物的目标条带割下，将割下的目标条带放入透析袋中，继续以90v电压进行电泳，电泳45分钟后，回收透析袋中的溶液，即为A型、B型DNA折纸-金立方单聚体。
S5、将A型、B型DNA折纸-金立方单聚体混合后退火得到有序金立方纳米簇。
此步骤以TE-T型有序金立方纳米簇为例，请参阅图6和图7所示，将S42中所得的A型、B型DNA折纸-金立方单聚体按照AR1：BR1'U2'L1'：AD2＝2:1:1的比例混合后退火得到TE-T型有序金立方纳米簇，使用透射电子显微镜观察，得到TE-T型有序金立方纳米簇的透射电子显微镜表征结果。
其具体步骤为：
S51：将S42中所得的A型、B型DNA折纸-金立方单聚体按步骤S2中的设计比例混合后，放入55℃水浴中自然退火至室温。
S52：将S51得到的产物在透射电子显微镜下进行观察。具体为：将10μL的样品滴在碳支持膜的表面形成液珠，吸附15分钟后，用移液枪将样品吸走，并用超纯水将碳支持膜冲洗两次，放至室温，待样品干燥后使用透射电子显微镜进行表征成像，得到TE-T型有序金立方纳米簇。
请参阅图8所示，其它六种有序金立方纳米簇的形成过程与TE-T型有序金立方纳米簇的形成过程一致，最终得到TE-I、TE-T、TE-O、TE-Z、TE-S、TE-LH和TE-J七种形状的有序金立方纳米簇。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种有序金立方纳米簇，其特征在于：所述有序金立方纳米簇包括DNA折纸单体与金立方单聚体，所述DNA折纸单体上设有捕获链和连接边链，所述捕获链用于连接所述金立方单聚体；所述连接边链包括特定序列的黏性末端，用于以互补连接的方式将多个所述DNA折纸单体组装成DNA折纸框架。
2.根据权利要求1所述的有序金立方纳米簇，其特征在于：所述DNA折纸单体为十字形DNA折纸单体，所述连接边链设置在所述十字形DNA折纸单体的边缘，且所述十字形DNA折纸单体的至少一端设置有所述连接边链。
3.根据权利要求1所述的有序金立方纳米簇，其特征在于：所述连接边链设有六种，六种所述连接边链通过特定序列的黏性末端互补形成三套连接双链，多个所述DNA折纸单体之间形成至少一套连接双链。
4.根据权利要求1所述的有序金立方纳米簇，其特征在于：所述DNA折纸单体包括A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体，所述A型DNA折纸单体旋转90°得到B型DNA折纸单体。
5.根据权利要求4所述的有序金立方纳米簇，其特征在于：所述A型DNA折纸单体左右特定序列的黏性末端与所述B型DNA折纸单体左右特定序列的黏性末端互补实现连接，所述A型DNA折纸单体上下特定序列的黏性末端与所述B型DNA折纸单体上下特定序列的黏性末端互补实现连接。
6.一种有序金立方纳米簇的制备方法，应用于权利要求1～5中任意一项所述的有序金立方纳米簇，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备DNA折纸单体，所述DNA折纸单体包括A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体；
S2、将A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体混合后退火，得到DNA折纸框架；
S3、制备金立方单聚体；
S4、将金立方单聚体分别与A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体组装，以分别得到A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体；
S5、将A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体混合后退火得到有序金立方纳米簇。
7.根据权利要求6所述的有序金立方纳米簇的制备方法，其特征在于，步骤S1具体为：将骨架链、订书钉链以及修饰链按比例混合均匀，置于聚合酶链式反应仪中，以0.1℃/10s的速率从95℃到20℃退火，超滤纯化处理后得到DNA折纸单体。
8.根据权利要求6所述的有序金立方纳米簇的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：将所述A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体按比例混合均匀，55℃水浴退火至室温后得到DNA折纸框架。
9.根据权利要求6所述的有序金立方纳米簇的制备方法，其特征在于，步骤S4具体为：使用所述金立方单聚体分别与A型DNA折纸单体和B型DNA折纸单体组装，从45℃到30℃反复退火四次直到降至4℃，纯化后分别得到A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体。
10.根据权利要求6所述的有序金立方纳米簇的制备方法，其特征在于，步骤S5具体为：所述A型DNA折纸-金立方单聚体和B型DNA折纸-金立方单聚体混合均匀后，从55℃到25℃自然退火，得到有序金立方纳米簇。
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