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DNA的结构具有多样性,除了广为人知的双螺旋结构,科学家们通过体内发现和体外筛选获得了更为多样的DNA结构类型,如三链DNA、DNA十字叉结构、G-四链体结构、i-motif四链结构以及各种脱氧核酶、DNA适配体等特有的三维立体结构。这些特殊的结构具有一定的功能,例如,脱氧核酶和DNA适配体的特殊序列,通过分子内的氢键、碱基堆叠作用、静电相互作用以及金属离子配位作用等,形成特定空间结构而表现出催化活性或者识别能力。除了这些体内发现和体外筛选获得的功能DNA纳米结构,还可以利用结构DNA纳米技术使DNA通过碱基互补配对自组装成具有可控形状和尺寸的DNA纳米结构。这些自然界存在的以及人工创造的DNA结构,为构建具有广阔应用前景的基于DNA的纳米器件提供了基础。一方面,利用这些功能DNA纳米结构的构象转换,可发展新传感原理,用于金属离子、小分子、生物大分子、病毒和细胞等一系列目标物的分析检测;另一方面,各种自组装DNA纳米结构也为基于DNA的智能纳米器件的构建提供了全新的平台。基于以上两个方面的考虑,我们利用DNA发夹结构、G-四链体结构、DNA杂交体等功能DNA纳米结构的独特性质,发展免标记比色生化分析方法,用于检测单碱基错配以及与核酸新陈代谢相关的酶。更进一步,我们利用结构DNA纳米技术构建结构可控的DNA纳米结构,并将其作为分子计算模块,用于分子逻辑电路的设计,为构建基于DNA的智能纳米器件提供基础。围绕着这些目标,我们主要开展了以下研究工作:(1)开发了一种基于G-四链体-氯化血红素DNA酶的酶活性分析法(DNA酶-based enzyme activity assay(DEAA)),该方法可作为一种通用型方法,用于比色分析多种与DNA新陈代谢相关的酶的活性。在DEAA中,我们用到了DNA发夹结构和G-四链体结构等简单的DNA纳米结构,并且,我们设计了自组装DNA纳米机器,使其体外等温扩增能形成G-四链体结构的序列,用于放大检测信号,提高检测灵敏度。DEAA是一种低成本、可视化、多目标、具有普适性的检测与DNA新陈代谢相关的酶的活性的分析技术,而且,该技术还能扩展用于酶的抑制剂的筛选以及单碱基错配的比色分析。这个研究工作展示了简单的功能DNA纳米结构在生化分析中的应用潜力。(2)结构DNA纳米技术为构建结构复杂精细的三维DNA纳米结构提供了途径,然而,已有的组装三维DNA纳米结构的方法大都复杂且需要较多种类的DNA链,针对这些问题,我们利用DNA纳米结构的几何对称性,在充分保留三维DNA纳米结构的可寻址性的前提下,以极少种类的DNA链模块化地组装三维DNA纳米结构,极大地减小了组装三维DNA纳米结构的成本。作为例证,我们以7条不同的DNA链组装了具有良好可寻址性的DNA纳米三棱柱。该DNA纳米三棱柱为正三棱柱,其上下底面是边长约为7.14 nm的等边三角形,棱柱的高度约为3.40 nm,三棱柱内部空腔体积约为75 nm3。我们使用聚丙烯酰胺凝胶电泳技术和荧光共振能量转移技术表征了DNA纳米三棱柱的自组装。我们考察了DNA纳米三棱柱结构的热稳定性。DNA纳米三棱柱的熔解温度曲线显示,该DNA纳米三棱柱在43°C时开始解构,表明棱柱在室温或者生理温度下能很好地保持其结构的稳定性。另外,我们还考察了棱柱在人血清中的稳定性。在37°C,10%(v/v)的人血清中,棱柱能保持其结构的完整性约6.0 h,表明该DNA纳米三棱柱有望应用于复杂生物体系中。(3)在上述研究结果的基础上,我们将DNA纳米三棱柱作为一个通用型的分子计算模块,构建分子逻辑门。我们采用集成设计策略,将DNA三棱柱的不同部分作为逻辑器件的不同功能元件。这种集成设计策略,使DNA纳米棱柱成为一个通用型的平台能构建多种分子逻辑门,如二进制基本逻辑门(“或”门、“与”门、“抑制”门、“异或”门),组合逻辑门(“抑制-或”门),多值逻辑门(三进制“抑制”门)。而且,仅使用这一个DNA纳米棱柱和四条单链DNA我们便成功构建了一个DNA计算体系,可区分自然数中的奇数和偶数。此外,我们还证明了该刺激响应型的DNA纳米棱柱能在含有人血清的复杂生物基质中稳健地执行逻辑操作。(4)最后,我们将自组装DNA纳米结构与氧化石墨烯结合,构建新型的DNA纳米结构复合材料,并将其作为一个通用型的平台用于分子逻辑电路的设计。我们利用DNA纳米技术组装了一个DNA纳米三脚架(DNA nanotripod),并将其作为支架在纳米尺度上调控其负载的荧光小分子与氧化石墨烯的相互作用,实现了一个三输入的majority逻辑门。该majority逻辑门可在“或”逻辑门和“与”逻辑门之间切换,使其成为一个多功能的模块,也可构建更多逻辑门和复杂的分子逻辑电路,如“异或”逻辑门和“抑制”逻辑门等基本逻辑门以及组合逻辑门。在这些基础之上,我们利用该平台的通用性,建立了一个分子逻辑运算体系,用于10以内自然数中合数的筛选。同样,我们也证明了该平台能在细胞裂解液中稳健地执行逻辑运算。