DNA-Au纳米粒子的组装/拆卸:一种干预策略

摘要

本报告描述了一种通过分子干预操纵DNA-Au纳米粒子组装/拆卸过程的可行性策略。利用dna和金纳米粒子的温度诱导组装和拆卸过程作为模型系统，分子识别探针的引入根据其特定的生物认知导致了组装/拆卸过程的干预。这一过程可以通过监测金纳米粒子及其DNA组装的光学性质的变化来检测。本文还讨论了初步结果对dna生物分析和生物材料工程中界面反应的纳米结构的探索意义。

1.介绍

Mirkin等人对DNA介导的金纳米粒子组装的开创性工作[1- - - - - -3.已经为生物传感、医疗诊断和药物输送等领域的潜在应用打开了一扇大门。广泛的研究工作旨在了解基于dna的纳米粒子组装所涉及的相互作用和反应[4- - - - - -26］．实例包括具有荧光签名的DNA-金纳米粒子[7， dna修饰金纳米颗粒的序列依赖稳定性[8，单链dna连接纳米颗粒的猝灭[12，13，利用条形码金属纳米线进行DNA杂交分析[14- - - - - -17]、单碱基不匹配伴生荧光猝灭[18，基于sers的多路复用检测[19]，掠角- ftir探测dna -纳米颗粒杂交的取向[20.]、利用染料掺杂纳米颗粒进行dna杂交的灵敏度和光稳定性的改善[21]，以及DNA纳米颗粒网络的限制性内切酶分解和DNA连接酶重组[22，23］．虽然人们对装配过程了解很多，但对拆卸过程却知之甚少。利用DNA或蛋白质与纳米颗粒结合的生物认知能力来控制组装和拆卸的能力在生物过程中非常重要，特别是在药物传递、基因治疗、免疫治疗和广泛的生物探针和传感器中。

在这份报告中，我们描述了一项研究的初步结果，通过分子干预操纵DNA和金纳米粒子的组装/拆卸过程的可行性。我们不是第一个研究组装/拆卸过程的人。Mirkin等人研究了温度诱导dna与金纳米颗粒的组装和拆卸过程[1- - - - - -3.]是一个示范系统，用以演示我们的干预策略的概念验证。如Scheme中概念性说明的那样1，将分子识别探针(P1)引入两种DNA锚定纳米粒子的溶液中，例如，在靶DNA (T1)存在的情况下，dna1盖帽Au (A1)和dna2盖帽Au (A2)，如前所述[1- - - - - -3.]，导致装配/拆卸过程干预的可能性取决于对A1、A2或T1的识别。例如，如果P1和T1之间发生了识别，当溶液温度降低时，P1的存在可能会阻止A1与T1重新组合。这一过程可以通过监测金纳米粒子及其DNA组装的光学性质的变化来检测。因此，P2的形成为dna -纳米颗粒生物测定或生物材料工程中界面反应的进一步调控提供了机会，这是本研究的基本动力。

方案1

示意图（不缩放）：（S1）在改变温度时通过靶DNA（T1）通过靶DNA（T1）的DNA1-封端的AU（A1）和DNA2封端的Au（A2）纳米颗粒的组装和拆卸（热至75 -C;逐渐冷却至C (RT));(S2)通过在加热溶液中引入P1，使其在回到室温时形成P2，从而干预了拆卸过程。

依赖于温度的装配/拆卸过程(S1)已被记录[1- - - - - -3.］．为了证明干预过程(S2)的可行性，我们使用了与以前相同的寡核苷酸[1- - - - - -3.]，其中包括DNA1:-TCTCAACTCGTA / 3 thiomc3-d /DNA2:/ 5 thiomc6-d / CGCATTCAGGAT -, DNA3:-TACGAGTTGAGAATCCTGAATGCG -(Integrated DNA Technologies, Inc.)标准脱盐纯化和柠檬酸盐包覆金纳米颗粒(nm)，采用报道的方法合成[27］．首先将DNA1和DNA2溶解在0.1 M磷酸盐缓冲液(pH 8)中，浓度从300到370不等M.使用类似于报道的方法的方法裂解DNA1和DNA2中的二硫键[1- - - - - -3.］where dithiothreitol (DTT) was added at 0.1 M final concentration to10 OD的核苷酸，最终体积为400L.让溶液在室温下反应2小时，然后通过nap5色谱柱(Amersham Biosciences)，并在色谱柱中加入1.1 mL磷酸盐缓冲液(pH 8)来洗脱裂解的寡核苷酸。最终裂解的dna浓度为20米有2.2。dna的精确浓度根据具体的实验略有不同。

纳米金的表面被功能化和-硫醇修饰寡核苷酸[1- - - - - -3.]形成A1和A2。简而言之，将1ml裂解的DNA（1或2）分别加入到5ml金纳米颗粒（储备14nm）中。将溶液在室温下静置16小时，然后将其稀释至0.1M NaCl和10mM磷酸盐缓冲液（pH7）并在室温下静置40小时。然后将DNA封端的纳米颗粒离心并在14000rpm下在14000rpm下洗涤25分钟（每次将溶液中重新分离在0.1M NaCl / 10mM磷酸盐缓冲液（pH7）溶液中），然后再分离（0.3米NaCl/ 10mM磷酸盐缓冲液（pH7）和0.01％叠氮化钠）溶液并在室温下储存。在一些情况下，将DNA封端的纳米颗粒的溶液加热至离心前C 10分钟。根据所使用的纳米粒子和DNA的批次，每种成分的浓度略有不同。

本研究中使用的金纳米颗粒显示约520 nm的表面等离子体(SP)共振带(图)1)，其位移与颗粒尺寸、颗粒间距离和介质介质的变化有关[28- - - - - -32］．如图所示1(一)， DNA盖帽纳米粒子的溶液(A1A2）（红色溶液）在525nm处展示了SP带。在室温下添加T1时，SP带逐渐从525nm逐渐移动到在30分钟的时间框架内，560nm的吸光度开始下降，这是由于组装溶液的沉淀，形成了大团簇。在这个过程中，溶液的颜色从红色变成了紫色。来自A1或A2溶液的样品的TEM图像显示了分散和分离的纳米颗粒，而含有A1、A2和T1 DNA的样品显示了纳米颗粒组装的高度聚集特征(图左面板)1(一)）.聚簇的程度取决于纳米粒子、寡核苷酸和盐的浓度，以及温度(数据未显示)。这个组装/拆卸过程是可逆的，这可以从加热溶液到高于DNA熔化温度和回到室温的过程中的光谱演化过程中得到证明(图)1 (b)） ［1- - - - - -11］．在这个例子中，溶液被加热到C处理5分钟后，溶液呈现红色，SP带移至525 nm。随着溶液温度的降低，溶液的颜色变为紫色，并伴有红移和SP带的加宽。这些观察结果与之前报道的一致[1- - - - - -11］．

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图1

光谱的进化SP乐队显示DNA的纳米粒子的组装(A1和A2)的目标DNA (T1) (a),反应在加热和冷却的解决方案a (b),和反应性在加热和冷却解决方案的一个uncleaved DNA (P1) (c), TEM图像样本A1, A2,程序集包含在左边的面板中进行比较。(注意，为了显示集群的程度，程序集的比例条较小。)各组分浓度: nM; [DNA1 or DNA2]1.0M;(T1)0。1M;(P1)1。2M。

例如，我们使用未裂解的DNA1 (-tctcaactcgta / 3thiomc3-d / -)，以证明过程s2在Scheme中的生存能力1．当DNA纳米颗粒组件的溶液加热至C，将受控量的P1（12x T1 DNA浓度）加入到溶液中。溶液温度保持在C为额外的5分钟(图1 (c)）.当将溶液冷却至室温时，SP条带保持在525nm处，没有任何可检测到的朝向较长波长的可检测扩大。颜色保持红色。这种观察结果与相同过程的观察结果鲜明对比在没有P1时(图1 (b)）.

光谱演化中的对比度表示P1在组装过程中的干预，其用作证明操纵DNA在组装/拆卸过程中DNA的互补结合的可存活率的示例。对于该第二过程的溶液颜色和光谱吸光度的缺失表明P1在互补结合方面取代A1的位置，这可以通过P1和A1之间的尺寸和迁移率差来解释。与将DNA1连接到纳米颗粒表面上的DNA1的A1相比，P1具有较小的尺寸和更快的迁移率。因此，如方案所示，在冷却温度时，在冷却时P1和T1之间的反应性超过A1，如方案所示的互补结合2．基于在反应中使用的A1或A2（离心后），T1和P1的浓度，作为Au纳米颗粒的球形模型，优化的表面填料条件下硫醇酸酯 - 寡核苷酸的估计表面覆盖率为每一大约150粒子[7)与25%与T1结合。P1加入溶液的量(每个纳米粒子有350个P1分子，T1浓度是12倍)，因此在它们与A1相互作用之前就足以杂化到所有的T1基团。预计干预的比例应取决于P1相对于溶液中其他组分的相对浓度。

方案2

说明P2结构中的互补结合(不按比例)，以及A2和P1在其互补DNA存在下的详细结合(T1)。

虽然初步结果需要进一步研究P2的详细结构和反应，对操纵DNA和纳米粒子组装/拆卸过程的干预策略可行性的论证，可能为扩大该策略在基于生物认知的分析和生物材料工程中的应用提供了机会。例如，P2最外层壳结构上的二硫基团，在大小和功能上为不同类型的纳米粒子提供了结合位点。二硫键的裂解可以引入游离硫醇配体，用于固定在不同的纳米颗粒或底物上。r配体的功能特性可以作为精细调节界面反应性的探针。根据R基团的特性或反应性，dna锚定纳米粒子的表面化学性质可以量身定制，以满足特定的技术应用。这些和其他相关的可能性，如酶分解和DNA连接酶重组，是我们正在进行的深入研究的主题。在不久的将来，有关反应活性对所涉及的dna浓度的依赖和优化的更详细的定量工作将被报道。

致谢

本研究得到了国家科学基金(批准号:20081010901)的资助。CHE0349040)。I-Im S. Lim感谢美国国家科学基金会研究生研究奖学金的支持。部分工作也得到了美国能源部的支持。DE-FG02-06ER64281)作为SUNY-Utica的分包合同。

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